螺杆挤出3D打印工艺参数对短碳纤维增强聚醚醚酮复合材料性能的敏感性分析及其优化研究

为解决螺杆挤出3D打印中短碳纤维增强聚醚醚酮（SCF/PEEK）复合材料性能与工艺参数的关联性问题，研究人员通过数值模拟与实验结合，系统分析了挤出温度、速度、喷嘴直径等参数对熔体流动行为及力学性能的影响。结果表明，打印温度和退火温度对零件强度影响最显著，优化后试样的最大拉伸和弯曲强度分别达148.8 MPa和222.1 MPa。该研究为高性能复合材料增材制造提供了关键理论依据和工艺优化指导。

　　

研究背景与意义
聚醚醚酮（PEEK）作为高性能热塑性聚合物，通过短碳纤维（SCF）增强后广泛应用于航空航天、医疗器械等领域。然而传统注塑成型存在成本高、设计灵活性差等问题，而基于螺杆挤出增材制造（SEAM）的技术虽能直接加工颗粒原料，但其工艺参数与零件性能的关联机制尚未明确。尤其对于高熔点、高粘度的SCF/PEEK复合材料，挤出温度、速度等参数如何影响熔体流动、结晶行为及最终力学性能，成为制约该技术工业应用的关键瓶颈。

研究方法与技术路线
西安交通大学团队通过有限元模拟分析了不同工艺参数下SCF/PEEK熔体的温度场、粘度场和压力场分布，并结合单因素实验设计，系统测试了打印温度（380-460°C）、速度（20-60 mm/s）、层高（0.15-0.4 mm）、填充角度（0°-90°）等参数对试样拉伸/弯曲强度、冲击性能、结晶度及表面形貌的影响。采用差示扫描量热仪（DSC）测定结晶度，扫描电镜（SEM）观察断口形貌，激光共聚焦显微镜量化表面粗糙度（Sa）。

研究结果

1. 熔体流动模拟
   挤出温度升高使熔体粘度降低55%，但压力损失显著；而提高螺杆转速虽增加挤出压力，却导致熔体温度下降。喷嘴直径从0.8 mm增至2.0 mm时，流动阻力呈四次方关系降低。

2. 打印温度影响
   400°C时试样拉伸强度达峰值114.6 MPa，温度过高（460°C）会引发材料分解产生气孔。SEM显示低温打印（380°C）时纤维与基体界面存在明显空隙，而高温下界面结合紧密但出现熔体溢出现象。

3. 结构参数优化
   0°填充角度试样的拉伸强度比±45°取向高32%，归因于纤维定向排列与载荷方向一致。层高0.2 mm时孔隙率最低（4.7%），但过薄层高（0.15 mm）反而因界面增多导致强度下降。

4. 热处理效应
   300°C退火2小时使结晶度提升至39.2%，同时孔隙率降至1.9%，弯曲强度提高26%至222.1 MPa。但过长时间退火（>4小时）会引发分子链氧化交联。

结论与展望
该研究首次建立了SEAM工艺参数与SCF/PEEK性能的定量关联模型，揭示打印温度与退火温度是调控强度的最敏感参数。通过优化参数组合，实现了接近注塑成型的力学性能，为航天轻量化构件、骨科植入物等高性能制件的3D打印提供了工艺数据库。未来需进一步研究多参数协同效应及长纤维取向控制，以突破复合材料增材制造的性能极限。论文发表于《Polymer Testing》，被列为该期刊2023年高引文章。