高温玻璃纤维增强热塑性聚酰亚胺复合材料工程化与增材制造：加工-结构-性能关系

《Journal of Materials Research and Technology》：Engineering and Additive Manufacturing of High-Temperature Glass Fiber Reinforced Thermoplastic Polyimide Composites: Processing-Structure-Performance Relationships

　　

下一代工程系统需要能够在承受极端热载荷与机械载荷的同时不损失结构完整性的材料与加工路径。研究人员开发了一类新型超高温玻璃纤维(GF)增强热塑性聚酰亚胺(TPI)复合材料，并采用熔融丝材制造(FFF)进行加工。将5–15 wt.%的GF通过熔融共混系统地引入TPI基体以制备高质量复合喂料，随后挤出为尺寸稳定的丝材，用于缺陷最小化的复杂几何打印。力学评估揭示了显著的组成-性能关系：10 wt.% GF体系表现最优，拉伸强度达95.98 MPa、弹性模量达4.03 GPa，较未填充TPI分别提升31.50%与32.13%。研究人员进一步采用针对性后处理协议以降低层间孔隙、增强纤维-基体界面黏附、促进结构有序化并释放残余应力，使拉伸强度与模量进一步提升至109.55 MPa与4.59 GPa，较打印态分别再增14.14%与13.90%。综上，优化并后处理的GF/TPI-10%体系相较未填充TPI力学性能提升约50%，密度降低约15%，显现出强轻量化潜力。热分析确认其玻璃化转变温度(Tg)为252.53 °C，验证其适用于高温场景。受控增强工程与打印后处理的结合建立了稳健的加工-结构-性能框架，为航空航天、汽车及极端环境应用提供了一条可扩展的高性能聚合物复合材料增材制造途径。

研究背景与动机

下一代工程系统对材料在极端热与机械载荷下保持结构完整性的需求日益迫切。熔融丝材制造(FFF)虽在热塑性及其复合材料加工中具有成本与可持续性优势，但高性能高温聚合物中，热塑性聚酰亚胺(TPI)因固有高黏度与熔融特性，通过3D打印加工的研究极少；同时玻璃纤维(GF)增强TPI体系在加工-结构-拉伸性能关系上尚未被系统探索，限制了其在极端条件下的潜力。现有PEEK、PEKK等材料虽适用于高温环境，但仍存在材料局限性。为此，研究人员设计并制备了超高温GF/TPI复合材料，通过FFF打印与后处理退火，建立完整的加工-结构-性能关系框架。

主要关键技术方法

研究人员以Gharda Chemicals提供的TPI粒料（密度1.3 g/cm³，M_n=42300 g/mol）为基体，Hexcel短切GF（长100 μm、直径8 μm、密度2.54 g/cm³）为增强相，经Brabender熔融共混（410 °C、55 rpm）制备5/10/15 wt.%三组分复合粒料；由单螺杆挤出机在395–410 °C区温下挤出直径1.75±0.04 mm丝材；采用商用FFF打印机（0.4 mm喷嘴，喷嘴410–420 °C、床温155 °C、腔温85 °C、±45°矩形扫描）制样；对最优GF/TPI-10%打印件施行200 °C保温3 h退火后处理。表征方面依托场发射扫描电镜(FESEM)观察形貌与界面，ASTM D792测密度与孔隙，熔体流动指数(MFI)仪评流变，差示扫描量热(DSC)定T_g与结晶度，Zwick Roell万能试验机按ASTM D638行拉伸测试，每条件≥5试样取均值。

研究结果

Printability and quality analysis of the extruded filaments

SEM显示未填充TPI丝材致密无孔；复合丝材含冻断纤维拔出孔与机械混合裹入空气孔。GF/TPI-5%与10%中GF分布均匀、界面黏附良好；GF/TPI-15%出现端部团聚。丝径一致性（1.75±0.04 mm）证实挤出参数合理。

Void analysis

实测密度低于混合律理论密度，孔隙率GF/TPI-5%/10%/15%分别为19.06%、18.85%、20.58%；减重潜力均超15%（17.12%、15.67%、15.29%）。GF/TPI-10%孔隙最低，GF/TPI-15%因团聚孔隙最高。

MFI

MFI随GF增加而下降（未填充16.27→GF/TPI-15% 9.26 g/10 min），反映填料阻碍熔体流动。依MFI选定挤出倍增率：未填充/5%/10%取0.95，15%取1.05配合420 °C喷嘴。

Tensile performance of the extruded filaments

丝材态未填充TPI模量3.02 GPa、UTS 94.90 MPa；GF/TPI-10%达3.898 GPa与127.38 MPa，GF/TPI-15%略降（3.685 GPa、119.14 MPa），证实10 wt.%为丝材最优。

Mechanical response, fracture mechanism, and performance optimization of 3D printed and post-processed specimens

打印态GF/TPI-10% UTS 95.98 MPa（较未填充+31.48%）、模量4.03 GPa（+32.13%）；退火后升至109.55 MPa与4.59 GPa，较打印态再+14.14%/+13.90%，较未填充TPI总计约+50%。断裂均呈脆性；退火消除残余热应力、促链重排、降孔隙、强界面。GF/TPI-15%因团聚与高孔隙致性能回落。

Morphology and post-processing analysis

打印态未填充TPI层间三角孔少；GF/TPI-10%因GF随机取向与热膨胀差生栅格间孔。退火后GF/TPI-10%内部 consolidation 改善、密度由1135.41升至1178.29 kg/m³，孔隙16.92%→13.79%。

Thermal properties

DSC示GF/TPI-10% T_g=252.53 °C，熔融峰T_m=395.16 °C；高T_g支撑其高温服役适用性。

讨论与结论翻译

讨论指出，GF在TPI中存最佳加载窗口（5–15 wt.%间以10 wt.%为优），过低增强不显、过高致黏度剧增与团聚；FFF引入层间孔与残余应力是性能瓶颈，而200 °C退火通过链松弛、结晶度提升与界面强化可低成本破局。GF/TPI-10%经优化打印+退火后，相较未填充TPI力学性能提升约50%、密度降约15%，T_g 252.53 °C，确立了“受控增强工程+打印后处理”的加工-结构-性能范式。结论：研究人员成功通过熔融共混-挤出-FFF-退火路线制备超高温GF/TPI复合材料，证明10 wt.% GF配伍与退火后处理可协同释放TPI体系潜力，为航空航天、汽车及极端环境应用提供可扩展的增材制造金属替代方案。该文发表于《Journal of Materials Research and Technology》。