3D打印连续玻璃纤维增强聚醚醚酮复合材料的力学性能与断裂行为研究

为解决航空航天等领域对高性能复合材料的需求，研究人员通过高温熔融浸渍法制备了连续玻璃纤维增强聚醚醚酮（CGF/PEEK）3D打印预浸丝，并创新性地采用高导热耐磨铜合金喷嘴和温控复合基板优化打印工艺。研究发现，当打印层厚0.4 mm、速度2 mm/s、喷嘴温度430°C、基板温度150°C时，材料孔隙率最低（6.79%），拉伸强度和层间剪切强度（ILSS）分别达到463.76 MPa和24.95 MPa。通过微观形貌分析揭示了单丝束断裂、分层断裂和截面断裂三种失效模式，为后续缺陷抑制和性能提升提供了理论基础。该研究为航空航天、轨道交通等领域的高强度绝缘部件制造提供了新思路。

　　

在航空航天、汽车制造等高端领域，对兼具高强度、电绝缘和耐热性的复合材料需求日益迫切。传统连续纤维增强热塑性复合材料（CFRTPCs）虽性能优异，但难以通过常规加工技术制造复杂结构件，且回收时纤维连续性易被破坏。聚醚醚酮（PEEK）作为高性能热塑性树脂基体，与玻璃纤维结合可显著提升材料性能，但其高熔融粘度和加工温度对3D打印工艺提出严峻挑战。现有研究中，喷嘴堵塞、层间结合差、孔隙率高等问题严重制约了连续玻璃纤维增强PEEK（CGF/PEEK）复合材料的应用。

针对这一技术瓶颈，来自中国的研究团队通过自主设计的高温熔融浸渍设备，成功制备出直径1.0±0.1 mm、玻璃纤维质量含量35%±5%的CGF/PEEK预浸丝。研究创新性地采用热导率达330 W/m·K的铜合金喷嘴和碳纤维/PEEK复合基板，显著提升了打印质量。通过系统分析打印参数对孔隙率的影响规律，发现打印速度对孔隙率的敏感性最高（2 mm/s时为8.48%，5 mm/s时骤增至27.45%），而打印层厚从0.4 mm增至0.7 mm会使孔隙率从6.79%升至19.38%。最优参数组合下（层厚0.4 mm、速度2 mm/s、喷嘴430°C、基板150°C），材料达到最高力学性能：拉伸强度463.76 MPa，ILSS 24.95 MPa。

研究采用扫描电镜（SEM）和体视显微镜对断裂形貌进行表征，揭示了三种断裂模式：单丝束断裂源于丝间界面损伤，分层断裂由沉积层间结合力不足导致，而截面断裂表现为玻璃纤维被拉出直至断裂——这是拉伸载荷下的主要失效形式。值得注意的是，孔隙缺陷的尺寸和形状与工艺参数密切相关：较大层厚（0.7 mm）导致椭圆形规则孔隙，而高速打印（5 mm/s）会产生不规则孔隙；适度提高喷嘴温度（430°C）可通过降低熔体粘度改善界面融合。

该研究发表于《Journal of Polymer Materials》，其重要意义在于：首次系统阐明了3D打印CGF/PEEK复合材料的孔隙形成机制与断裂行为关联性，为工艺优化提供了量化依据。提出的铜合金喷嘴和温控基板设计方案，解决了高粘度PEEK熔体难成型的技术难题。研究成果将推动高性能复合材料在航天器绝缘部件、轨道交通轻量化结构等领域的应用，并为其他纤维增强热塑性复合材料的3D打印提供理论参考。未来研究可进一步探索等离子体-激光协同处理等表面改性技术，以提升层间结合强度。