由南京航空航天大學校長單忠德院士帶領的團隊，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，滿足于航空航天和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！

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

圖1 CGFRPCs長絲在不同牽引速度下的力學性能:(a)復合長絲拉伸試樣(b)不同牽引速度下長絲的應力-應變曲線 (c)拉伸載荷 (d)拉伸強度和模量

圖1 (c) 和 (d) 中的繪圖結果表明：長絲的平均拉伸載荷和拉伸強度隨著牽引速度的降低而增加。例如，牽引速度為2.77 mm/s時，長絲的平均拉伸載荷、拉伸強度和拉伸模量分別達到473.34 N、665.8 MPa和23.57 GPa。拉伸載荷和強度隨牽引速度的降低而增大，可以解釋為較慢的牽引速度有利于樹脂充分浸漬到纖維中，并提高單根纖維與樹脂之間的界面強度。拉伸模量基本不隨牽引速度的變化而變化，盡管在7.64 mm/s的牽引速度下觀察到了低拉伸載荷，但拉伸強度并未達到低值，拉伸模量達到大值28.04 GPa。這是由于在這個參數下長絲的橫截面積小，纖維含量相對較高。如圖1(b) 所示，以7.64 mm/s 的速度配置的長絲的應力-應變曲線要陡峭得多，表明模量相對較高。

2.2 復合長絲剖面結構

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 軟件對不同牽引速度長絲的內部孔隙進行識別和標記，深色、淺色和紅色分別代表樹脂、玻璃纖維和內部孔隙。如圖2（b）和（c）所示：較高的牽引速度往往會導致纖維和樹脂的不均勻分布。由于纖維和樹脂的集中分布不利于樹脂充分浸漬到纖維中，影響了長絲的力學性能，故隨著牽引速度的降低，纖維在樹脂間的分布趨于均勻，長絲的機械強度逐漸提高。如圖2（e）所示，沒有孔隙的長絲，在低牽引速度下，細絲內部的孔隙面積不會隨著牽引速度的變化而發生很大變化。

圖2 牽引速度為(a) 11.25 mm/s (b) 7.64 mm/s (c) 6.75 mm/s (d) 5.4 mm/s (e) 4.13 mm/s (f) 2.77 mm/s時的復合長絲剖面圖

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，小值和大值分別與4.13 mm/s和7.64 mm/s的長絲牽引速度相關。

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。