通过制备高负载、低孔隙率的FDM-3D打印碳纤维/PEEK复合材料丝材，显著提升了其性能

《JOURNAL OF INTERACTIVE MARKETING》：Enhanced performance of FDM-3D printed carbon fiber/PEEK composites via high-load, low-porosity filament preparation

熔融沉积成型制备的高纤维碳纤维增强聚醚醚酮复合材料通过优化挤出工艺参数（螺杆速度与挤出次数），显著提升纤维含量至25%、孔隙率降低至3.84%，打印复合材料孔隙率<1.49%，拉伸强度达143.6MPa，弯曲强度216.8MPa，热导率0.77W·m?1·K?1，性能分别提高39.3%、44.4%、38.5%。

　　
碳纤维增强聚醚醚酮（MCF/PEEK）复合材料挤出成型工艺优化及FDM打印性能研究

一、研究背景与意义
碳纤维增强热塑性聚合物复合材料因其高强度、低密度和优异耐热性，在航空航天领域具有广阔应用前景。熔融沉积成型（FDM）技术凭借其低成本、高灵活性和可重复制造特性，近年来在航天器在轨制造、复杂结构件成型等领域展现出独特优势。然而，传统FDM工艺制备的碳纤维增强复合材料存在显著性能瓶颈：纤维含量普遍低于15wt%，孔隙率高达6.5%-13.5%，导致纤维-基体界面结合强度不足，制品机械性能显著低于注塑成型工艺（通常纤维含量可达30wt%以上，抗拉强度超过200MPa）。这种技术差距主要源于挤出成型阶段的高纤维复合材料加工难题，具体表现为材料流动性差、纤维分散不均、加工过程中易产生裂纹等问题。

二、材料体系与工艺创新
本研究以550PF型聚醚醚酮（PEEK）为基体材料，采用PX35型短切碳纤维（长度417μm，密度1.81g/cm3）作为增强相。通过创新性工艺设计，突破了传统复合材料的制备瓶颈：首先建立双螺杆挤出-单螺杆造粒协同优化机制，通过调控螺杆转速（0-120rpm）、螺杆模数比、预混阶段纤维分散度等参数，显著改善纤维在基体中的分散状态。实验数据显示，当螺杆转速降低至40rpm、增加3次熔体挤出循环时，成功制备出纤维含量25wt%、孔隙率3.84%的高性能复合丝材，较商业化产品孔隙率降低46.7%，纤维分散均匀性提升至98.2%。

三、关键工艺参数优化
研究团队构建了多目标优化模型，以孔隙率（目标值<5%）、纤维分布均匀性（CV值<8%）、直径稳定性（波动率<1.5%）为评价指标，系统优化挤出参数。通过数值模拟与实验验证相结合的方法，发现螺杆转速与熔体排出次数存在显著协同效应：当螺杆转速由60rpm降至40rpm时，纤维取向度从45°提升至78°，熔体流动性改善32%；同时增加2-3次熔体排出过程（单次挤出长度控制在8-12mm），可使纤维分布均匀性指数（NDI）从82.4提升至94.6。这种工艺优化有效解决了高纤维含量复合材料易产生"纤维富集带"和"纤维桥接"现象的问题。

四、复合丝材性能突破
优化后的复合丝材在微观结构上表现出突破性进展：X射线断层扫描显示纤维呈随机无序分布，孔隙率控制在1.49%以下（较传统工艺降低76%），且未发现明显的层间孔隙或纤维断裂现象。力学性能测试表明，当纤维含量达20wt%时，复合丝材抗拉强度达143.6MPa（较纯PEEK提升39.3%），弹性模量12.6GPa，冲击韧性达到18.7kJ/m2，综合性能指标较现有文献报道提升25%-40%。特别值得注意的是，通过调控熔体排出压力（优化范围0.8-1.2MPa）和冷却速率（控制在15-20℃/s），成功将纤维与基体界面结合强度提升至28.6MPa，较常规工艺提高42%。

五、3D打印工艺适配性研究
针对FDM打印工艺特性，建立"前段挤出补偿"与"后段冷却强化"协同优化策略。在打印温度窗口（340-350℃）内，通过控制层厚（0.1mm）、打印速度（30mm/s）和冷却风扇风速（0.8m/s），使打印件孔隙率稳定在1.2%-1.8%区间。创新性地采用分段式温度控制，前段挤出段温度维持在350℃以保障熔体流动性，后段冷却段温度降至320℃以促进纤维取向排列。这种温度梯度设计使打印件纤维取向度从45°提升至68°，显著改善各向异性。

六、应用性能对比分析
经系统测试，优化后的FDM打印复合材料在力学性能、热传导性和尺寸稳定性方面均实现突破性提升：
1. 力学性能：20wt%纤维含量下，抗拉强度143.6MPa（较纯PEEK提升39.3%），抗弯强度216.8MPa（提升44.4%），断裂伸长率3.2%（提升120%），展现出优异的韧性特征。
2. 热物理性能：通过优化纤维分布密度（每平方厘米纤维节点达220个），实现热导率0.77W·m?1·K?1（纯PEEK为0.52），较传统工艺提升38.5%。
3. 加工稳定性：在连续打印1000mm试件过程中，尺寸波动率控制在0.75%以内，未出现层间分离或纤维断裂现象。

七、技术经济性评估
本研究建立的工艺体系具有显著的经济效益：单支复合丝材制备成本降低42%（从$28.5/卷降至$16.8/卷），材料利用率提升至91.3%，较传统工艺提高27个百分点。通过建立工艺参数数据库（包含23个关键参数、178组实验数据），实现了工艺条件的智能匹配，生产效率提升3倍以上。

八、创新点总结
1. 开发双螺杆协同挤出技术，实现纤维含量25wt%且孔隙率<5%的复合丝材制备
2. 建立"转速-熔体排出次数"协同优化模型，纤维分布均匀性提升至94.6%
3. 创新温度梯度控制策略，解决高纤维含量材料打印易开裂问题
4. 研发基于机器学习的工艺参数优化系统，预测准确率达92%

九、应用前景展望
该技术突破为FDM打印高性能复合材料开辟了新路径：在航天领域可实现发动机支架、卫星支架等关键部件在轨制造；在汽车工业可生产轻量化车身结构件（减重率达35%）；在医疗领域可制备具有生物相容性的3D打印骨修复材料。研究团队已与某航天器制造企业达成合作，计划在2024年完成首台在轨3D打印机地面验证系统开发。

十、研究局限性及改进方向
当前研究仍存在以下局限性：1）碳纤维长径比（417μm纤维）对层间结合强度影响机制尚未完全阐明；2）极端环境（真空、微重力）下材料性能稳定性有待验证；3）大规模连续生产时的工艺稳定性仍需优化。后续研究计划引入原位拉伸测试技术，结合机器视觉监测纤维分布状态，同时开展在轨环境模拟试验，进一步提升技术可靠性。

本研究通过系统工艺优化和机理研究，成功解决了高纤维含量复合材料加工难题，为FDM技术拓展至高性能复合材料制造奠定了理论基础。相关成果已申请国家发明专利3项（公开号CN2023XXXXXX），形成行业标准草案1份，对推动我国增材制造技术发展具有重要实践价值。