引言PEEK （聚醚醚酮）作為一種典型的特種工程塑料，應(yīng)用的行業(yè)領(lǐng)域越來越廣，對材料的要求越來越高。為改善本體材料的力學(xué)性能，碳纖維成為增強PEEK的優(yōu)選材料。為方便大家學(xué)習(xí)了解，小編針對碳纖維及其復(fù)合材料的知識略作概述，供大家參考。

碳纖維增強PEEK復(fù)合材料（5600CF/PEEK），指碳纖維以粉末、顆粒、連續(xù)纖維（長纖維）或者織物形式增強PEEK樹脂基的復(fù)合材料。其中碳纖維以織物形式存在的簡稱為CFF/PEEK。復(fù)合材料中，樹脂基體賦予了優(yōu)良的力學(xué)性能、熱性能、耐化學(xué)腐蝕性和易加工性能；增強纖維則主要決定了復(fù)合材料的機械性能。

CF是一種含碳量在90%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。質(zhì)輕高強是其最顯著的特點，密度僅有1.7g/cm3，不到鋼的1/4，強度卻是鋼的數(shù)倍；紡織纖維的柔軟可加工性；較低的電化學(xué)活性，優(yōu)秀的耐腐蝕能力，有效延長使用壽命。其復(fù)合材料具有耐高低溫、熱膨脹系數(shù)小、吸能抗振、一定的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、良好的X光透光性、生物相容性等優(yōu)點。

在CF/PEEK中，CF選用聚丙烯腈基CF（ PAN基CF）。 PAN基CF生產(chǎn)主要包括原絲生產(chǎn)和原絲碳化兩個過程：首先通過丙烯腈聚合和紡紗等一系列工藝加工成被稱為“母體“的PAN纖維或原絲，將原絲先放入氧化爐（200到300℃）氧化，再放入1000到2000℃碳化爐中進行碳化等工序制成CF。

CF按產(chǎn)品規(guī)格不同劃分為宇航級和工業(yè)級兩類，亦稱為小絲束和大絲束。通常把48K以上碳纖維稱為大絲束碳纖維，包括360K和480K等。宇航級初期以3K為主，逐漸發(fā)展為12K和24K，主要應(yīng)用于國防軍工和高技術(shù)，以及體育休閑用品，像飛機、導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星和釣魚桿、球桿球拍等。工業(yè)級碳纖維應(yīng)用于不同民用工業(yè)，包括：紡織、醫(yī)藥衛(wèi)生、機電、土木建筑、交通運輸和能源等。在CF/PEEK中，考慮到PEEK分子鏈呈剛性且非極性，熔融態(tài)黏度高，作為復(fù)合材料基體時，對CF的浸潤性較差且結(jié)合力較弱，需要對CF進行表面改性處理，纖維絲束越大，浸潤相對越困難，綜合考慮復(fù)合材料整體性能和整體成本，CF選擇24K以下的小絲束規(guī)格。2018年開始，江蘇君華特塑與東華大學(xué)合作，利用東華大學(xué)上漿劑對碳纖維編織布高溫脫漿后再經(jīng)過新漿處理，進行生產(chǎn)工藝的實驗研究，已經(jīng)取得一定成果。

CF/PEEK成型工藝，依據(jù)CF存在形式，采用不同的成型工藝。對于CF粉末，按照計量配比稱量混合后，選用熱壓成型工藝制備毛坯料，而后加工成產(chǎn)品部件；對于長紗，可以采用螺桿擠出的方法進行造粒，隨后通過擠出注塑成型成毛坯件，或者采用熔融浸漬或溶液浸漬的方法制備單向預(yù)浸料，熱壓成毛坯件，再行加工成型；對于CF織物，可采用熔融浸漬或溶液浸漬的方法制備預(yù)浸料，而后熱壓成型；也可直接采用CF織物和PEEK片材熱壓成型。例如，行業(yè)中普遍選用的PEEK5600CF30，其中CF30表示含有30%的碳纖維粉末或者短切纖維，其中醫(yī)療和軍工等行業(yè)多是粉末，進行熱壓成毛坯件，再行加工而成；紡織印染和機械行業(yè)等多采用短纖造粒，注塑成型。

圖2 PEEK5600CF30 應(yīng)用行業(yè)展示（左-右，依次為醫(yī)療行業(yè)導(dǎo)向尾、汽車剎車片、紡織印染調(diào)幅螺母和航空件）

復(fù)合材料的性能隨纖維體積或質(zhì)量分數(shù)的提高而提高。但當(dāng)CF體積分數(shù)增大到一定值時，樹脂基體體積分數(shù)的減少，CF與樹脂基體的粘結(jié)性能降低，從而導(dǎo)致復(fù)合材料各項性能的降低；CF長度對復(fù)合材料的性能也有所影響，長度稍長的CF增強效果更佳；連續(xù)纖維或者織物增強時，將復(fù)合材料的性能進一步提高。相關(guān)PEEK材料及其復(fù)合材料制品典型性能如下表1所示

表1 PEEK純料和復(fù)合材料主要牌號及其典型性能指標

注：數(shù)據(jù)摘自江蘇君華特種工程塑料制品有限公司，詳細數(shù)據(jù)請與該公司聯(lián)系。

由表1可知，拉伸強度而言，單向CF增強拉伸強度980MPa，雙向CF增強拉伸強度690MPa，對比粉末粉狀增強的220MPa，數(shù)值分別提高了4.5倍和2倍。對比單純PEEK 100MPa，數(shù)值增加更多。彎曲強度隨著CF含量增加，數(shù)值也有明顯提升。CF加入，強度和剛性增加，相應(yīng)韌性降低，沖擊強度降低；但對比粉末短纖增強，長線或者織物形式，拉伸、彎曲和沖擊性能的數(shù)據(jù)明顯有所提升，沖擊強度提升一個數(shù)量級。

隨著軍工、航空航天、醫(yī)療、民用領(lǐng)域?qū)Σ牧弦笤絹碓礁撸虏牧咸鎿Q已然成為趨勢，涉及行業(yè)無一避免。連續(xù)CF/PEEK或者CFF/PEEK以其綜合方面高性能逐漸被業(yè)內(nèi)接受，制成的各類樣件部分已經(jīng)成功應(yīng)用于部件中，例如2015年威格斯PEEK90HMF40成功應(yīng)用于空客A350-900機門配件中，并代替之前使用的鋁材，2016年威格斯宣布已成為中國商飛指定的PEEK生產(chǎn)商，提供單通道商用飛機 C919所需改性的PEEK材料，醫(yī)療上髓內(nèi)釘瞄準支架等；部分正在試機驗證（飛機發(fā)動機用星輪驗證，前期使用PEEK5600CF30，目前高要求部位使用CFF/PEEK）；或者處于性能校核準備替代階段。

圖3 CFF/PEEK應(yīng)用行業(yè)展示（左-右，左兩個為醫(yī)療行業(yè)，右兩個為飛機行業(yè)）

參考文獻

【1】特種工程塑料聚醚醚酮（PEEK)的開發(fā)和應(yīng)用

【2】國內(nèi)聚醚醚酮（PEEK)FDM3D打印技術(shù)進展

【3】張照、曹碩、朱姝等，紡織結(jié)構(gòu)碳纖維增強聚醚醚酮基復(fù)合材料制備及界面改性【J】。高分子材料科學(xué)與工程，2017,33（10）：141—148