图1 图文摘要

  聚芳醚酮（PAEK）因其优异的力学性能、良好的生物相容性和高温稳定性成为一类重要的增材制造高分子材料，主要包括聚醚酮（PEK）、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK）等材料。增材制造技术的独特优势促进了功能化复杂结构PAEK产品的快速开发，从而增强了其在各个领域的应用。为此，华中科技大学史玉升教授团队从材料性质、成形工艺、力学性能和产品应用等方面综述了增材制造高性能PAEK材料的最新研究进展。指出了目前增材制造PAEK材料面临的挑战，包括材料本体性质的工艺适应性、老化问题、成形制件的力学各项异性。针对这些挑战，给出了可能的解决方法。多工艺集成和在线监测工艺优化可减少高性能PAEK制件的内部缺陷，是未来重要的发展方向。该工作以“Recent Advances on High-Performance Polyaryletherketone Materials for Additive Manufacturing”为题，发表在《Advanced Materials》上。陈鹏博士为第一作者，史玉升教授、闫春泽教授为通讯作者。

  团队前期在PEEK材料的高温激光粉末床熔融（HT-LPBF）增材制造方面取得了系列研究成果：

  在装备研发方面：团队于2018年研制成功预热温度达400℃的独立控温第一代HT-LPBF装备，型号为HK PK125，台面125mm×125mm。2021年研制成功第二代HT-LPBF装备HK PK350，台面350mm×350mm。设计了具备独立空间的送粉腔体和成形腔体，实现了送粉和成形两个关键操作的独立预热与温度场均匀性控制，装备最高预热温度可覆盖PEEK等绝大多数高性能特种工程塑料【授权专利：201811188659.9、201811189001.X、201811188406.1、美国专利：US 16/357,791】。

图2 （a）第一代HT-LPBF装备HK PK125，（b）第二代HT-LPBF装备HK PK350，（c）PEEK粉末材料，（d）PEEK材料成形过程

  在材料制备方面：提出了高温红外辐射制备方法，制备了适用于HT-LPBF工艺的PEEK粉末材料，可同时满足粉末高温流动性、烧结窗口与堆积密度等关键指标的要求。制备的粉末整体形貌均一，堆积密度达0.37±0.01 g/cm³，烧结窗口达27.26℃。此外，揭示了PEEK粉末材料的老化机理。粉末老化使晶体结构更加有序，晶格体积减小，烧结窗口变宽。老化后分子链并未发生断裂，但大分子已交联形成联苯结构，降低了粉末的结晶度【P. Chen et al., Materials & Design. 2022, 213, 110348】。

  在成形机理方面：揭示了HT-LPBF周期性过程中涉及的动态非等温和准静态等温动力学结晶过程，及其对PEEK制件力学性能的影响规律。等温结晶较非等温结晶的HT-LPBF制件强度更高。高强度制件呈现出更加扩展的c轴平面苯环亚单元，同时垂直于（2 0 0）和（1 1 0）晶面的晶粒尺寸更大，具有典型的分块束状晶形貌【P. Chen et al., Additive Manufacturing. 2020, 36, 101615】。

图3 PEEK在HT-LPBF成形过程的结晶动力学过程与特征晶体结构

  在多孔骨植入物方面：设计了三周期极小曲面（TPMS）多孔点阵PEEK椎间融合器，以提供定制的三维孔隙和力学性能。与标准融合器相比，点阵PEEK椎间融合器表现为多点面应力传递机制。椎间融合器的压缩模量和弹性极限与点阵面积有显著的相关性，两者均可通过调整TPMS表面面积来调节，同时保持能量吸收效率稳定。通过创新植入物结构设计，有效解决了植入物-椎体的应力冗余和界面骨整合差的难题【P. Chen et al., Journal of Materials Science & Technology. 2022, 21: 03527】。

图4 PEEK椎间融合器的力学性能与应力响应

  在临床应用方面：该团队与华中科技大学附属协和医院杨操教授团队进行合作，在国家重点研发计划项目的支持下，开展临床应用研究，实现椎间融合器临床应用11例。术后定期跟踪随访，进行功能评估，病人各项指标正常，术后恢复良好。

  在上述研究成果的基础上，形成了学术专著《特种聚合物聚醚醚酮的激光增材技术》，系统地概述了国内外PEEK激光增材制造技术的最新研究进展，介绍了HT-LPBF装备、PEEK粉末材料的制备方法、成形工艺与性能，分析了PEEK的成形机理，并介绍了激光粉末床增材制造PEEK材料的生物应用。

图5 学术专著封面

  相关的论文、专著和发明专利如下：

  1) Recent Advances on High-Performance Polyaryletherketone Materials for Additive Manufacturing, Advanced Materials. https://doi.org/10.1002/adma.202200750

  2) Crystallization Kinetics of Polyetheretherketone during High Temperature-Selective Laser Sintering, Additive Manufacturing. 2020, 36: 101615. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101615

  3) Aging mechanism of polyetheretherketone powder during layer-wise infrared radiation of high-temperature laser powder bed fusion, Materials & Design. 2022, 213: 110348. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110348

  4) Mechanical properties and microstructure characteristics of cellular-surfaced polyetheretherketone cage fabricated by high-temperature laser powder bed fusion. Journal of Materials Science & Technology. 2022, 21: 03527.

  5) 《特种聚合物聚醚醚酮的激光增材技术》，国防工业出版社，ISBN 978-7-118-12435-4.

  6) 美国发明专利：High temperature laser sintering framework structure with independent temperature control (US10,821,675).

  7) 中国发明专利：一种用于高温激光选区烧结的预热缸体及预热方法（ZL201811189001.X）.

  8) 中国发明专利：一种具有高加工性能的PEEK粉末及其制备方法和应用（ZL201910290781.5）.

  9) 中国发明专利：一种独立控温的高温激光选区烧结框架结构及成形方法（ZL201811188659.9）.

  10) 中国发明专利：一种用于高温激光选区烧结的光学热力防护与冷却系统（ZL201811188406.1）.

  11) 中国发明专利：一种聚醚醚酮亲生物金属多孔骨植入体的成形方法及产品（ZL202010948298.4）.

  12) 中国发明专利：一种聚醚醚酮光热抗癌支架及其制作方法（ZL202110680458.6）.

成果主要完成人：

  史玉升，华中科技大学教授，曾获国家科技进步二等奖2项、国家技术发明二等奖1项、中国十大科技进展1项、中国智能制造十大科技进展1项、省部一等奖8项，省部二等奖6项，领导的团队入选湖北省和教育部创新团队。

  闫春泽，华中科技大学教授，长江学者特聘教授、材料成形与模具技术国家重点实验室副主任、增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心主任，在Advanced Materials、Acta Materialia、Advanced Science等期刊发表SCI论文130余篇，研究成果获国家科技进步二等奖、国家技术发明二等奖、中国专利优秀奖、日内瓦专利金奖、湖北省专利金奖各1项。

  文世峰，华中科技大学副教授，武汉华科三维科技有限公司技术总监。在LPBF装备国产化、大型化等方面做出了开创性研究，成功开发出动态聚焦方式大工作范围激光扫描系统和LPBF装备预热温控系统。在Advanced Science、Journal of Materials Processing Technology等期刊上发表论文40余篇，研究成果获国家技术发明二等奖、机械工业科学技术一等奖。

  陈鹏，华中科技大学博士后，主持国家自然科学基金、中国博士后基金等项目，以第一作者在Advanced Materials、Additive Manufacturing、Journal of Materials Science and Technology等期刊发表论文7篇，授权发明专利10余项，主要研究方向为PEEK材料激光粉末床熔融增材制造，及其在生物医疗和航空航天领域的应用。