連續碳纖維增強PEEK復合材料的應用選型
引言PEEK( 聚醚醚酮）作為一種典型的特種工程塑料，應用的行業領域越來越廣，對材料的要求越來越高。為改善本體材料的力學性能，碳纖維成為增強PEEK的優選材料。為方便大家學習了解，小編針對碳纖維及其復合材料的知識略作概述，供大家參考。
碳纖維增強PEEK復合材料（CF/PEEK），指碳纖維以粉末、顆粒、連續纖維（長纖維）或者織物形式增強PEEK樹脂基的復合材料。其中碳纖維以織物形式存在的簡稱為CFF/PEEK。復合材料中，樹脂基體賦予了優良的力學性能、熱性能、耐化學腐蝕性和易加工性能；增強纖維則主要決定了復合材料的機械性能。
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，強度卻是鋼的數倍；紡織纖維的柔軟可加工性；較低的電化學活性，優秀的耐腐蝕能力，有效延長使用壽命。其復合材料具有耐高低溫、熱膨脹系數小、吸能抗振、一定的導電性和導熱性、良好的X光透光性、生物相容性等優點。
在CF/PEEK中，CF選用聚丙烯腈基CF（ PAN基CF）。 PAN基CF生產主要包括原絲生產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按產品規格不同劃分為宇航級和工業級兩類，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，逐漸發展為12K和24K，主要應用于國防軍工和高技術，以及體育休閑用品，像飛機、導彈、火箭、衛星和釣魚桿、球桿球拍等。工業級碳纖維應用于不同民用工業，包括：紡織、醫藥衛生、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，熔融態黏度高，作為復合材料基體時，對CF的浸潤性較差且結合力較弱，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，綜合考慮復合材料整體性能和整體成本，CF選擇24K以下的小絲束規格。2018年開始，江蘇超聚/江蘇君華特塑與東華大學合作，利用東華大學上漿劑對碳纖維編織布高溫脫漿后再經過新漿處理，進行生產工藝的實驗研究，已經取得一定成果。
CF/PEEK成型工藝，依據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，行業中普遍選用的PEEK5600CF30，其中5600CF30表示含有30%的碳纖維粉末或者短切纖維，其中醫療和軍工等行業多是粉末，進行熱壓成毛坯件，再行加工而成；紡織印染和機械行業等多采用短纖造粒，注塑成型。
圖2 PEEK5600CF30 應用行業展示（左-右，依次為醫療行業導向尾、汽車剎車片、紡織印染調幅螺母和航空件）
復合材料的性能隨纖維體積或質量分數的提高而提高。但當CF體積分數增大到一定值時，樹脂基體體積分數的減少，CF與樹脂基體的粘結性能降低，從而導致復合材料各項性能的降低；CF長度對復合材料的性能也有所影響，長度稍長的CF增強效果更佳；連續纖維或者織物增強時，將復合材料的性能進一步提高。相關PEEK材料及其復合材料制品典型性能如下表1所示。
表1 PEEK純料和復合材料主要牌號及其典型性能指標
序號 | 項點，單位 | PEEK5600G | PEEK5600LF30 | PEEK5600CF30 | 預浸帶 | 預浸料 |
1 | 碳纖維含量，% | （純材料） | 30%（CF +石墨+PTFE總量 粉末或者短纖） | 30%（粉末或者短纖） | 60，單向帶 | 60，雙向織物 |
2 | 實密度，g/cm3 | 1.3 | 1.44 | 1.4 | 1.59 | 1.56 |
3 | 洛氏硬度 | 126/99(R/M) | 124/102(R/M) | 123/107(R/M) | 99（HRE） | 97（HRE） |
4 | 拉伸強度（23℃），MPa | 100 | 134 | 220 | 980 | 690 |
5 | 彎曲強度（23℃），MPa | 163 | 186 | 298 | 862 | 912 |
6 | 沖擊強度，kJ-2 | 無斷裂 | 32 | 46 | 440 | 500 |
備注：數據摘自江蘇超聚/江蘇君華特種工程塑料制品有限公司，詳細數據請與該公司聯系。
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，數值分別提高了4.5倍和2倍。對比單純PEEK5600G 100MPa，數值增加更多。彎曲強度隨著CF含量增加，數值也有明顯提升。CF加入，強度和剛性增加，相應韌性降低，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據明顯有所提升，沖擊強度提升一個數量級。
隨著軍工、航空航天、醫療、民用領域對材料要求越來越高，新材料替換已然成為趨勢，涉及行業無一避免。連續CF/PEEK或者CFF/PEEK以其綜合方面高性能逐漸被業內接受，制成的各類樣件部分已經成功應用于部件中，例如2015年威格斯PEEK90HMF40成功應用于空客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生產商，提供單通道商用飛機 C919所需改性的PEEK材料，醫療上髓內釘瞄準支架等；部分正在試機驗證（飛機發動機用星輪驗證，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應用行業展示（左-右，左兩個為醫療行業，右兩個為飛機行業）
參考文獻
【1】種工程塑料聚醚醚酮（PEEK）的開發和應用
【2】 國內聚醚醚酮（PEEK ) FDM 3D打印技術的進展
【3】張照,曹碩,朱姝等，紡織結構碳纖維增強聚醚醚酮基復合材料的制備及界面改性[J].高分子材料科學與工程，2017,33(10):141-148
