聚醚醚酮(PEEK)是一種線性芳香族熱塑性工程塑料，是目前最熱門的高性能工程塑料之一，具有耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、力學性能好、生物相容 性好等優點，其負載熱變形溫度可以達到316℃ , 能夠在260℃的高溫環境下連續使用 。在航空航天、 醫療等領域，PEEK 製造的零件已逐步替代部分金屬部件。
PEEK 屬於半結晶性熱塑性塑料，在熔體結晶的過程中，會受到冷卻速率、熱梯度等熱加工條件的影響，表現出不同的結晶度。研究發現，材料的結晶度會影響 PEEK 零件的性能，具有較高結晶度的材料會展現更高的力學性能 。如材料的熱變形溫度、彈性模量、屈服強度會隨結晶度的提高而增強，材料的塑性則會降低。 同時，PEEK的半結晶性、高熔點、高黏度等特性對增材製造設備以及製造工藝提出了更高的要求。
在PEEK的增材製造研究中，3D列印材料多聚焦在純PEEK樹脂或短纖維增強樹脂復合材料上， 很少有關於連續纖維增強PEEK復合材料在增材製造成型方面的報道 。在《工程塑料應用》期刊中發表的《熱處理工藝對增材製造PEEK/CGF 力學性能影響》一文中，研究團隊採用連續玻璃纖維(CGF) 增強PEEK復合絲材與多熱力場耦合連續纖維增強復合材料增材製造工藝，探究了保溫溫度與保溫時間等熱處理工藝對PEEK/CGF 3D列印件力學性能的影響規律，為連續纖維增強復合材料的增材製造成型與應用提供一定的數據基礎。
論文下載連結：
http://www.epa1973.net/reader/wyinfo.asp?id=15795
/ 增材製造樣件製備
PEEK/CGF預浸絲材製備工藝如圖1所示。連續纖維增強PEEK樹脂復合絲材成型機主要由雙螺杆擠出機、絲材浸漬模具、出絲模口、牽引裝置、收卷裝置、乾燥裝置、預熱裝置組成。CGF增強PEEK復合絲材的製備參數列於表1。PEEK/CGF預浸絲材如圖2所示，經測算，PEEK/CGF預浸絲材中CGF所占體積分數為23.1%。
PEEK/CGF復合材料彎曲樣品尺寸為40mm×15mm×2mm，剪切樣品尺寸為20mm×10mm×2mm，拉伸樣品尺寸為180mm×12.5mm×1mm，增材製造樣件均在室溫(25℃)環境下製備。
圖3為多熱力場耦合連續纖維增強復合材料增材製造工藝示意及實物圖。PEEK/CGF增材製造工藝參數列於表2。樣件列印完成自然冷卻後，將其放入烘箱內在不同的熱處理條件下進行熱處理。
接下來研究團隊對3D列印樣件進行了DSC測試與力學性能測試。
/ 結果與討論
研究團隊採用多熱力場耦合連續纖維增強復合材料增材製造技術在相同工藝條件下製備彎曲樣件、層間剪切樣件與拉伸樣件並測試增材製造成型件熱處理前後的結晶度，研究不同熱處理工藝(保溫溫度、保溫時間)對PEEK/CGF成形件綜合力學性能的影響。
l 熱處理工藝對PEEK/CGF列印件結晶度影響
圖4為PEEK/CGF列印件的DSC曲線。材料的玻璃化轉變溫度在140~150℃區間內，常溫成型條件下樣件的熔點為344℃，經過140℃、40min的熱處理後，PEEK/CGF樣件的熔點上升至347℃，比未經熱處理的樣件升高2℃。經過高溫熱處理後，PEEK/CGF列印件的熔融焓由14.19J/g上升至18.87J/g，列印件的結晶度由10.92%提高到14.52%，結晶度增加了32.97%。
熱處理工藝為PEEK高分子鏈段提供充足的能量與時間結晶，材料的晶體結構更加完整，熔點升高。同時，結晶度會對材料的色澤亮度產生影響，如圖5所示，觀察PEEK/CGF樣件，會發現明顯的差異，熱處理前樣件呈黃褐色，經熱處理後樣件發白髮亮。
l 熱處理工藝對PEEK/CGF列印樣件彎曲強度的影響
研究團隊針對保溫溫度對成型件彎曲強度的影響，設計120~200℃共5種保溫溫度並與未進行熱處理的樣件進行比較。不同保溫溫度下樣件的彎曲強度如圖6所示。
研究不同保溫時間對列印件彎曲強度的影響，設計20~60min共5種保溫時間。不同保溫時間下樣件的彎曲強度如圖6所示。
l 熱處理工藝對PEEK/CGF列印樣件層間剪切強度的影響
保溫溫度對增材製造樣件層間剪切強度的影響如圖7所示。
保溫時間與PEEK/CGF列印件層間剪切強度的關係如圖7所示。
l 熱處理工藝對PEEK/CGF列印樣件拉伸強度的影響
保溫溫度對PEEK/CGF列印件拉伸強度的影響如圖8所示。
圖9為PEEK/CGF拉伸樣件完全破壞後的形貌，與一般熱塑性材料齊整規則的破壞斷面不同，PEEK/CGF成形件經拉伸破壞後斷面呈不規則的散狀。
/ 結論
(1)通過熱處理可以顯著提高PEEK/CGF列印樣件的彎曲強度，隨保溫溫度與保溫時間的增加，彎曲強度呈現先急速增長後穩定波動的趨勢。當保溫溫度為180℃，保溫時間為50min時，彎曲強度達到最大值269.1MPa，與未進行熱處理的樣件相比，彎曲強度提高94.48%。
(2)適當的熱處理工藝可以改善連續纖維增強熱塑性復合材料增材製造成形件沉積方向力學性能低、各向異性的不足。最佳熱處理條件為：保溫溫度180℃、保溫時間60min，此時PEEK/CGF樣件層間剪切強度為26.11MPa，相較於熱處理前強度提升97.95%。
(3)熱處理工藝可以提高PEEK/CGF樣件的拉伸強度，但對於拉伸強度的提升並不明顯，當保溫溫度為200℃，保溫時間為60min時，可以獲得列印件最大的拉伸強度，為332.71MPa，與未進行熱處理的列印件比，拉伸強度提高16.9%。
(4)經熱處理後，PEEK/CGF樣件的結晶度、熱力學性能與綜合力學性能均有所提升。選擇保溫溫度為180~200℃，保溫時間為50~60min的熱處理工藝條件可以獲得綜合性能更佳的PEEK/CGF增材製造成型件。
文章來源：復合材料漫談
原文引用信息：
嚴春暉，戰麗，任永新，等.熱處理工藝對增材製造PEEK/CGF力學性能影響[J].工程塑料應用，2023，51(3)：52−57.