碳纖維復合材料自20世紀50年代被開發出來之后，因其優異的性能在軍事和航空航天領域被廣泛應用。隨著人類對碳纖維復合材料研究的不斷深入和完善，碳纖維復合材料的應用也在不斷增加，目前已經被廣泛應用于航天軍工、醫療、汽車、建筑、體育用品、無人機等領域。

目前市面上的碳纖維復合材料主要有兩大類：一類是熱固性碳纖維復合材料，以環氧熱固性碳纖維復合材料為代表，另一類是熱塑性碳纖維復合材料,以CF/PEEK為代表。根據碳纖維布編織紋理又可分為平紋、斜紋、緞紋以及單向等多種復合材料。

圖1 碳纖維布編織紋理形式（從左往右依次為：平紋、斜紋、緞紋、單向）

環氧熱固性碳纖維復合材料

環氧熱固性碳纖維復合材料在國內目前已經具備成熟的生產工藝。環氧熱固性碳纖維復合材料紋路以編織為主，一些特殊行業會用到單向編織。目前主要應用于軍工、汽車及其他工業方面。碳纖維含量正常是在60%-70%，其余30%-40%是環氧樹脂膠。成品的密度一般 1.7g/cm3左右。

優點

1:強度高，因為其碳纖維含量高達60%-70%，所以材料的剛性特別強。其部分力學性能完全優于鋁合金。

2:質量輕,相對于鋁合金可以減重40%，相對于不銹鋼可以減重78%。

3:透X光，碳纖維本身具有良好的透X光性能，在加工成復合材料之后依舊保持良好的透光性。

4：加工尺寸穩定，除了使用碳纖維布外，環氧樹脂固化后本身常溫下變形性小，所以材料的穩定性較好，加工后不會出現明顯變形。

  缺點

1：脆性大，因為環氧樹脂本身剛性基團多，而柔韌性基團少，交聯固化后成網絡結構，導致產品的脆性大，不耐沖擊，加工時容易崩口，開裂甚至分層。所以不適合用于加工一些骨科的醫療器械產品。

（上圖為環氧熱固性碳纖維復合材料的器械在使用過程中出現開裂）

2：耐濕熱水解性差，環氧型在成型時很難保證樹脂或者固化劑完全反應，導致環氧型的碳纖維板耐水解和耐濕熱性差。所以環氧型碳纖維復合材料，不要反復消毒使用。

3：耐溫性相對熱塑性碳纖維復合材料較低，碳纖維材料本身可以耐受上千攝氏度的高溫，但是常規的環氧樹脂正常能耐受的溫度只有150℃，超過200℃環氧樹脂就有出煙的現象，300℃基本上就開始碳化。

4：難加工，因為碳纖維本身對刀具有很大的磨損，所以對于碳纖維的精密零件，很難加工，同時加工的粉末進入機床導軌后會磨損絲桿，影響機床的加工精度。

5：環氧樹脂與碳纖維結合強度不好，磨損后會有黑色粉末顆粒產生。 

6：材料不可回收再利用  

CF/PEEK熱塑性碳纖維復合材料

CF/PEEK熱塑性碳纖維復合材料一般是以緞紋編織的為主，緞紋的紋路之間間隙大，有錯層間隙更有利于PEEK膠料的浸漬或者浸潤。PEEK材料的流動性不好，冷卻固化速度快。所以碳纖維復合材料的浸潤難度要遠遠高于環氧型碳纖維復合材料。PEEK的熱塑性復合材料一般碳纖維占比50~ 60%之間。密度一般為1.56g/cm3左右。PEEK本身作為特種高性能工程塑料，具有很多普通材料不具備的性能優點，如高強度，耐高溫，自潤滑，耐水解，耐腐蝕等等。所以PEEK型的碳纖維復合材料相較于普通環氧型的碳纖維復合材料，性能更加優越，解決了環氧型復合材料存在的很多問題。因PEEK本身價格比較昂貴，工藝成型難度大，所以目前PEEK熱塑性復合材料的價格也比較昂貴。目前主要廣泛應用于醫療和軍工行業。

優點

1:強度高，PEEK本身就是一種高強度的工程塑料，所以在PEEK和碳纖維復合之后，復合材料的部分力學性能已經超過普通金屬的力學性能，如鋁合金。

2:質量輕,相對于鋁合金只有其重量的1/2，相對于不銹鋼只有其重量的1/5。

3:透X光，PEEK和碳纖維本身都具有良好的透X光性能，在加工成復合材料之后依舊可以保持良好的透光性。

  4：加工尺寸穩定，因為材料采用的是編織的碳纖維布來加工的，所以材料的穩定性較好，加工后不會出現變形。

5：耐高溫,PEEK的耐溫性遠遠超過環氧樹脂，可以在260℃長時間使用。復合之后可以耐受反復消毒不變形。

6：耐腐蝕，碳纖維和PEEK兩種材料本身都耐一般的化學腐蝕，尤其是PEEK材料，復合過程中一般不產生化學反應，復合后，PEEK對碳纖維又形成了一層包覆，使復合之后材料的耐腐性能更加出眾。

7：層間結合強度好，江蘇君華生產的PEEK碳纖維復合材料不易分層。熱塑性在模壓成型時，熔融后結合到一體的結合強度高。所以不易分層。從PEEK與碳纖維結合角度說一些，PEEK和碳纖維之間的結合強度很高,因此纖維釋放現象大大減少或沒有。另外,由于PEEK具有抗蠕變力,PEEK聚合物能夠長時間承受相對大的壓力,不會隨時間擴展,并且具有良好的纖維-母體界面結合強度。

8：抗沖擊，熱塑性樹脂通常為線性分子鏈，因為韌性較好，抗沖擊能量高。

9：可回收，熱塑性碳纖維復合材料具備可直接回收利用的特性優點。

10：國外科學實驗證明，可植入碳纖維增強聚醚醚酮復合材料不僅無細胞毒性，還能促進骨細胞的蛋白合成和成骨，用作人工關節假體時呈現出良好的促成骨細胞增生及粘附能力，碳纖維增強聚醚醚酮復合材料與骨的界面結合強度優于其它人工關節材料，臨床應用療效明顯優于金屬材料產品，能從根本上緩解目前關節假體金屬材料由于力學和生物學不相容所導致的假體松動并發癥等問題。

缺點

1：價格貴，目前國內的PEEK熱塑性碳纖維復合材料才剛起步，生產和研發的成本都比較高。所以材料的價格也比較昂貴。

2：加工難度大，因為碳纖維對刀具的磨損較大，所以復合后的材料加工成本較高，加工難度較大。目前碳纖維的復合材料都存在這個問題。

3：目前國內生產的單位少，很難找到合適的采購單位

近倆年國內也陸續有一些單位開始開發CF/PEEK熱塑性碳纖維復合材料，江蘇君華就是其中的一家。目前江蘇君華生產的熱塑性PEEK碳纖維復合材料，已通過力學性能測試，被多家國內知名醫療器械單位用于醫療加工髓內釘器械的瞄準架。目前驗證下來發現，熱塑性CF/PEEK碳纖維復合材料加工的瞄準架透光性好，強度高，尺寸穩性定，100次消毒后依然可以精準定位。

“綜上所述，針對不同的產品如何選擇不同類型的碳纖維復合材料，應該有了初步的理解，希望此篇文章對您來說有所借鑒。”