在增材制造的聚醚醚酮（PEEK）复合材料中，连续纤维与短纤维的协同增强作用

《Polymer Composites》：Synergistic Continuous and Short Fiber Reinforcement in Additively Manufactured Poly(Ether Ether Ketone) Composites

3D打印热塑性复合材料中协同增强丝材的制备与性能研究，通过定制挤出线制造含23.76%连续碳纤维和5.11%短切纤维的S-CFRTP丝材，并采用 fused filament fabrication (FFF) 3D打印技术制备试样，发现协同增强结构显著提升弹性模量达28.47%，但层间结合力不足导致最大弯曲应力下降，需优化层间粘接工艺。

　　在当今的先进制造领域，3D打印技术正逐步成为一种高效、灵活的材料加工手段。特别是在高性能材料如聚醚醚酮（PEEK）的打印中，提升其机械性能已成为研究的热点。传统上，PEEK基复合材料在打印过程中面临一些挑战，例如强度不足、层间结合力弱、以及纤维在打印过程中的分布不均等问题。为了解决这些问题，本研究提出了一种协同增强策略，将连续碳纤维与短切碳纤维结合使用，以期在保持材料整体性能的同时，进一步提升其力学表现。

研究中设计了一种新型的协同纤维增强结构，其中连续碳纤维被作为核心，而短切碳纤维则被包裹在外部，形成一个壳层。这种结构使得最终的协同碳纤维增强热塑性（S-CFRTP）丝材中包含了5.11%的短切纤维和23.76%的连续纤维。通过这种设计，研究人员希望利用连续纤维在提升刚度和强度方面的优势，同时借助短切纤维的分布特性来改善材料的整体性能。随后，这些丝材被用于Fused Filament Fabrication（FFF）打印机，制造出用于测试的复合材料样品。通过拉伸测试和三点弯曲测试，评估了这些复合材料的机械性能。

实验结果显示，S-CFRTP丝材在弹性模量方面表现出了显著的提升，这表明其在抵抗变形方面具有更强的能力。然而，测试过程中也观察到了一些问题，例如在弯曲测试中，S-CFRTP样品出现了较早的失效现象，导致最大弯曲应力值有所下降。这一现象表明，虽然协同增强策略在某些方面提升了材料性能，但层间结合力的不足仍然是需要解决的关键问题。为了进一步理解这些现象，研究人员使用光学显微镜对断裂表面和纤维分布进行了观察。通过这些观察，他们发现S-CFRTP样品的纤维排列更加均匀，且在局部区域表现出较好的纤维-基体结合，这在一定程度上解释了其在拉伸测试中表现出的增强性能。

在测试过程中，研究人员还发现，尽管S-CFRTP丝材在拉伸测试中表现出更高的强度和模量，但其在弯曲测试中的表现则不如纯连续纤维增强的样品。这可能是因为短切纤维在壳层中的分布虽然增加了材料的刚度，但也导致了层间结合力的降低，从而影响了材料在承受弯曲载荷时的整体强度。此外，观察到的断裂表面显示出一些纤维的拔出现象，这表明纤维与基体之间的结合力仍有待加强。研究人员指出，这种现象可能与短切纤维在丝材中的排列方式以及打印过程中层间融合不充分有关。

为了进一步探讨这些问题，研究还涉及了热分析和化学分析。通过热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC），研究人员评估了材料的热稳定性以及其在不同温度下的行为。结果显示，S-CFRTP样品在高温下的热稳定性表现优于纯连续纤维增强样品，这可能与其内部结构的优化有关。此外，傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析揭示了纤维与基体之间的化学相互作用，进一步支持了协同增强策略在提升材料性能方面的潜力。

尽管S-CFRTP在某些性能指标上表现优异，但研究也指出了一些局限性。例如，在三点弯曲测试中，由于层间结合力不足，S-CFRTP样品的弯曲强度较低，而弯曲模量则较高。这种性能的权衡提示，为了实现更优的机械性能，可能需要进一步优化打印参数，如提高层间融合质量、改进纤维排列方式等。此外，研究人员还建议采用一些辅助技术，如红外辅助、激光辅助或局部加热，以改善层间结合性能，从而提升材料的整体强度。

研究的结论表明，虽然协同增强策略在某些方面成功提升了材料的刚度和强度，但其在提升层间结合力方面仍有改进空间。通过进一步优化制造工艺，尤其是改进纤维的排列方式和层间融合技术，S-CFRTP有望成为一种在高刚度结构应用中具有竞争力的新型材料。此外，该策略也为未来在3D打印中实现更复杂的材料结构提供了新的思路。例如，通过调整纤维的比例和排列方式，可以实现不同性能的组合，从而满足不同应用场景的需求。

该研究还强调了协同增强策略在提升材料性能方面的潜力。通过将连续纤维与短切纤维结合，研究人员不仅提高了材料的刚度，还为未来的高性能复合材料制造提供了新的方向。尽管目前的实验结果表明该策略在某些方面仍存在不足，但其在提升材料性能方面的贡献不容忽视。随着技术的不断进步，特别是打印工艺和材料设计的优化，这种协同增强策略有望在未来的3D打印应用中发挥更大的作用。

研究团队还提到，该协同增强策略的应用前景广阔，特别是在航空航天、汽车制造等对材料性能要求较高的领域。通过合理设计纤维的分布和排列，可以实现材料在不同方向上的性能优化，从而提升其在复杂结构中的适用性。此外，研究中提到的制造方法也为其他类型的高性能复合材料提供了借鉴，例如通过调整纤维的种类和比例，可以进一步探索不同材料组合的性能潜力。

总体而言，本研究通过引入一种新型的协同纤维增强结构，为3D打印复合材料的性能提升提供了新的思路。尽管在某些方面仍存在挑战，但实验结果表明，该策略在提升材料刚度和强度方面具有显著优势。未来的研究可以进一步探索如何优化打印参数，以解决层间结合力不足的问题，从而实现更全面的性能提升。同时，该研究也为其他材料体系提供了参考，表明通过合理设计纤维的排列和分布，可以有效提升3D打印复合材料的性能。