原位预热技术对FFF打印PEEK力学性能与微观组织的影响

《Micromachines》：Effects of In Situ Preheating Technology on Mechanical Properties and Microstructure of FFF-Printed PEEK Junhua Wang, Yuanming Mao, Jianan Shen, Yan Lu, Kun Li, Junfei Xu, Zhuangya Zhang, Ruijie Gu and Tancheng Xie

　　

聚醚醚酮（PEEK）因其高熔体粘度和快速冷却特性，在熔融沉积成型（FFF）过程中出现层间分子链扩散不足和界面融合薄弱的问题，从而限制了打印件的力学性能与工程应用。为改善FFF打印PEEK的层间结合质量，研究人员提出并实现了一种集成于打印喷嘴的原位预热技术。通过一个与喷嘴同步移动的高温可控预热系统，对已沉积层表面进行局部精确加热，以主动调控层间界面的热历史。研究人员系统研究了预热温度的影响。结果表明，预热温度对零件性能的影响呈先升后降的趋势。当预热温度为280°C时，试样的综合性能最优：拉伸强度达到69.47 MPa，比无预热对照组提高21.3%；断裂伸长率为71.07%；孔隙率降至8.36%。微观组织分析揭示，适度预热有利于分子链扩散和界面融合，而过热则引起PEEK的热氧化降解，导致力学性能劣化。这些发现证实原位预热是增强层间结合的有效方法，从而为高性能PEEK组件的增材制造提供了一种实用解决方案。

### 论文解读：原位预热技术对FFF打印PEEK力学性能与微观组织的影响

#### 1. 研究背景与问题
聚醚醚酮（PEEK）是一种半结晶高性能热塑性工程塑料，凭借优异的力学性能、耐高温性、化学稳定性和生物相容性，广泛应用于航空航天、生物医学和汽车工业等领域。熔融沉积成型（FFF）作为典型的材料挤出增材制造技术，具有设备成本低、操作简便、可高效制造复杂几何形状零件等优势，在PEEK组件的快速制造与小批量生产中潜力显著。然而，PEEK固有的高熔点、高熔体粘度及易结晶特性与FFF逐层沉积、局部熔融的特点存在矛盾，导致打印过程中层间结合强度不足这一突出问题。在FFF打印PEEK时，从喷嘴挤出的高温PEEK熔体沉积到已固化的较冷层表面，会产生急剧的温度梯度与快速冷却凝固，使PEEK分子链在层间界面扩散不足、难以形成有效缠结与融合，最终导致界面结合薄弱。因此，弱层间结合成为制约利用FFF技术制备高性能、高承载PEEK零件的关键瓶颈。

为增强FFF打印PEEK的层间结合强度，国内外研究人员开展了诸多研究，主要集中在工艺参数优化、材料改性和后处理技术方面。例如，提高喷嘴温度、缩短等待时间、减小层高可增强层间结合；引入功能添加剂或构建共混体系可改善界面性能；退火、热等静压等后处理可减少层间缺陷。然而，现有方法多属于对打印热历史的“被动适应”或“事后补偿”，未能从根本上解决FFF层间结合的本质——聚合物分子链的跨层扩散与缠结。若无法主动控制沉积界面的温度场，新熔体与已沉积层之间的显著温差将持续存在，聚合物分子链无法获得足够的热能与时间进行跨界面扩散与缠结，冷却后难以形成强层间结合。因此，亟需从被动工艺优化转向主动调控沉积界面的热历史。

针对这一需求，本研究提出了一种主动原位预热技术。其核心在于设计并集成一个与FFF打印头同步移动的高温预热系统，在每层新熔体沉积前，对已沉积层表面进行精确加热，将传统的“热-冷”界面转变为“热-热”界面，实现层间形成过程中的实时热管理。通过研究不同预热温度对PEEK打印件拉伸性能、层间融合状态、孔隙率和热稳定性的影响，揭示预热处理对层间结合的增强机制，为发展高性能FFF打印PEEK技术提供新思路与方法。该论文发表在《Micromachines》。

#### 2. 主要关键技术方法
研究人员自建了集成于喷嘴的原位预热系统：核心部件包括额定功率100W、最高工作温度500°C的高温氧化铝陶瓷加热板（尺寸50 mm × 50 mm × 2 mm），固定在喷嘴上方约3 mm处并同步移动；K型玻璃纤维薄膜热电偶（测量范围?40°C至700°C）与REX-C100 PID控制器构成闭环温控。为排除多参数耦合干扰，固定打印速度等工艺参数，基于K型热电偶与红外热像仪标定界面实际温度后，选取240°C、260°C、280°C、300°C四个预热温度梯度作为实验变量。试样尺寸依据GB/T 1040.2-2022 BA型拉伸试样标准，使用SolidWorks建模并切片后打印。PEEK丝材（型号551G）由吉林中研高分子材料有限公司提供，使用前在120°C干燥5小时。采用AGX-100kNV2万能试验机进行室温（25°C）准静态拉伸测试（标距25 mm，拉伸速度5 mm/min），JSM-7800F场发射扫描电镜观察断口形貌，质量-体积法测量孔隙率。

#### 3. 研究结果
##### 4.1 拉伸性能与孔隙率
通过对比不同预热温度下试样的拉伸性能与孔隙率发现：随着预热温度升高，拉伸强度、屈服强度、断裂伸长率均呈先升后降趋势。基线组（BL，无预热）拉伸强度最低（57.27 MPa）；P280组（280°C预热）达到峰值69.47 MPa，较BL组提高21.3%；P300组降至65.79 MPa。断裂伸长率在P280组达到最大值71.07%，较BL组提高18.2%。应力-应变曲线显示P280组曲线整体高于BL组，弹性模量略增，断裂能显著更大。孔隙率方面，随预热温度从无预热升至280°C，孔隙率从12.05%降至8.36%，P300组反弹至9.27%。相关性分析表明孔隙率与拉伸强度呈显著负相关（决定系数R² > 0.95），且拉伸强度、屈服强度、断裂伸长率间呈强正相关（r > 0.95），说明在最优预热条件下性能协同提升。

##### 4.2 断口形貌分析
扫描电镜观察显示：BL组断口呈现清晰层状结构，层间边界平直且存在明显微米级沟槽，有大量孔隙与微裂纹，表明无预热条件下分子链扩散不足、界面结合薄弱。P280组断口表现为粗糙、连续、起伏的形态，高倍下可见密集的韧窝结构，微孔与层间间隙显著减少，材料致密化程度高，表明280°C预热使沉积层表面温度超过PEEK玻璃化转变温度（T_g，143°C），增强了分子链活动性，促进了跨界面扩散与缠结。P300组断口出现局部光滑与局部粗糙共存区域，存在微裂纹与表面银纹，且部分区域仍保留韧窝结构，表明预热至300°C虽有一定积极效果，但过度加热诱导了热氧化降解，产生分子链断裂与微观缺陷。

##### 4.3 预热机制与热稳定性分析
基于上述结果，揭示预热温度影响层间结合强度的内在机制：（1）低温范围（T_p < 280°C）：预热温度不足以使沉积层表面分子链主动扩散，温度梯度仍大，冷却速率较高，分子链扩散程度有限，力学性能改善有限，孔隙率仍较高。（2）最佳范围（T_p ≈ 280°C）：系统将沉积层表面维持在PEEK分子链高链段活动性对应的温度范围，显著降低界面温度梯度并减缓熔体冷却速率，提供理想的跨界面扩散与缠结热环境，形成致密均匀微观组织，最大化提高层间结合强度。（3）高温范围（T_p > 280°C）：尽管提供更有利热扩散条件，但PEEK因长时间暴露于高温氧气环境而发生热氧化分解，导致分子链断裂、界面缠结密度降低，产生微裂纹等缺陷，性能与热稳定性下降。与现有热管理策略相比，本研究提出的喷嘴同步原位预热通过主动管理层间界面热历史，直接调控界面温度，避免了被动调节或后处理的固有缺陷，具有显著优势。

#### 4. 总结与结论
讨论部分强调：预热温度对性能的影响遵循非单调规律，存在最佳工艺窗口（280°C），适度预热通过降低冷却速率、促进分子链扩散来强化界面，而过热则诱导热氧化降解导致性能劣化。本研究提出的原位预热技术主动调控打印过程中沉积界面的热历史，为高性能聚合物增材制造提供了新工艺策略，具有重要工程应用价值。

研究结论翻译如下：（1）成功研制了FFF打印层间原位预热系统，为FFF打印PEEK弱层间结合的关键问题提供了有效技术方案。（2）实验结果表明预热温度对零件性能的影响呈非单调的先升后降趋势，确定280°C为最佳工艺窗口，该条件下试样层间结合质量显著改善，综合性能最优。（3）从微观视角阐明了预热技术机制：适度预热通过降低冷却速率、促进分子链扩散来强化界面，而过热则诱导热氧化降解，导致性能劣化。