對連續玻璃纖維增強PEEK復合材料(CGFRPC)的增材制造工藝、機械性能和電氣性能進行了深入研究。為了獲得高強度復合長絲，團隊采用來自三英精密的高精度X射線三維顯微鏡，對各種牽引速度下制備的復合長絲進行無損掃描，對復合長絲的形態和微觀結構進行了表征，研究了牽引速度對制備過程中復合長絲的形態和力學性能的影響。所獲得的結果有望使CGFRPC的增材制造技術，滿足于電子設備制造領域所需的高強度條件，該期刊的影響因子高達9.62！
1. 方法
首先在雙螺桿擠出和浸漬設備上制備CGFRPC長絲。PEEK顆粒通過雙螺桿擠出機塑化成熔融狀態，然后進入并填充浸漬模具。同時，CGF絲束在牽引裝置的牽引作用下進入具有彎曲流道的浸漬模具，經預熱裝置干燥后浸漬peek樹脂。隨后，CGFRPCs長絲通過出口模頭被拉出，冷卻后由卷繞裝置收集。為了研究牽引速度對復合長絲的微觀結構和力學性能的影響，以600Tex CGF為原料生產了6種不同牽引速度的復合長絲。以300Tex連續玻璃纖維為原料，以4.13 mm/s的牽引速度生產復合長絲，用于研究纖維尺寸對復合材料試樣力學性能的影響。其中，制備的兩種尺寸CGFRPC長絲的工藝參數見表1。
表1 300Tex和600Tex復合長絲的制備工藝參數
三英精密nanoVoxel-3000顯微CT
2. 結果
如圖2復合長絲剖面圖所示，牽引速度從11.25 mm/s降低到2.77 mm/s的過程中，長絲外輪廓的圓度越來越好。由于較高的牽引速度不利于復合材料在出口模頭處的充分聚束，故以較高牽引速度形成的長絲通常具有不規則形狀，例如扁平形狀。而較低牽引速度形成的長絲的外輪廓雖然不是標準的圓形，但它們接近于出口模具內孔的形狀。
通過ImageJ 軟件，計算出復合長絲在不同牽引速度下的物理參數（即纖維體積分數和孔隙率）如表2中所示。結果表明：纖維體積分數隨著牽引速度的降低而減小，這是因為樹脂對纖維的緩慢浸漬會導致長絲中的樹脂增多。在這組實驗中，纖維體積分數在32.19%~39.5%之間波動，最小值和最大值分別與4.13 mm/s和7.64 mm/s的長絲牽引速度相關。
表2 600Tex復合纖維在不同牽引速度下的物理參數
圖3中展示了不同牽引速度下復合長絲內纖維、纖維/樹脂復合材料和孔隙的三維分布情況，其中樹脂/纖維復合材料和孔隙的分布圖，取自復合長絲內部截取的長方體。
根據圖3（a）可知，較高的牽引速度導致纖維在橫截面上呈橢圓形分布，而在縱向截面上大多呈彎曲分布，從而在長絲內部產生一些孔隙。
當牽引速度降低到6.75 mm/s時（見圖3（b）），纖維和樹脂在長絲中的分布仍然不均勻，還可以檢測到樹脂集中區域和孔隙，長絲中處于彎曲狀態的纖維數量在縱向截面中有所減少。盡管7.64 mm/s長絲中的纖維分布優于11.25 mm/s長絲中的纖維分布，但對于牽引速度低于7.64 mm/s的長絲，仍不能保證纖維分布地更均勻。
在牽引速度為4.13 mm/s時（見圖3（c）），纖維在橫截面上呈圓形分布，在縱向截面上呈較直分布，此時長絲內部未見孔隙。
圖3 在牽引速度為(a) 11.25 mm/s (b) 6.75 mm/s (c) 4.13 mm/s時，復合纖維的三維分布(左)、纖維/樹脂結合(中)和孔隙(右)圖
為了對復合長絲中的孔隙進行三維形態表征，將含有明顯孔隙的部分進行虛擬剖切，得到縱向剖面圖（圖4(a)和(b)），然后將縱向剖面圖局部放大，以獲得孔的形態（圖4（c））。結果表明：復合長絲中的孔隙通常出現在纖維附近，且孔隙分布不連續、不均勻。由此推測：由于模具中的樹脂分布不充分/不均勻，且纖維展開不充分，使得樹脂與纖維相結合的位置容易出現氣孔。
圖4 (a)縱向剖切 (b)縱向剖面圖(c)復合材料細絲孔隙形態
表3 600Tex復合纖維在不同牽引速度下的物理參數
結 論
本文設計了一種具有預熱功能的雙級加熱噴嘴，以促進CGFRPCs長絲的熔解，提高試件的力學性能。為獲得高強度復合材料長絲，借助三英精密的X射線三維CT，首次探討了在制備過程中牽引速度對復合材料長絲的微觀結構和力學性能的影響。
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