连续碳纤维增强PEEK复合材料的应用选型
引言PEEK （聚醚醚酮）作为一种典型的特种工程塑料，应用的行业领域越来越广，对材料的要求越来越高。为改善本体材料的力学性能，碳纤维成为增强PEEK的优选材料。为方便大家学习了解，小编针对碳纤维及其复合材料的知识略作概述，供大家参考。
碳纤维增强PEEK复合材料（5600CF/PEEK），指碳纤维以粉末、颗粒、连续纤维（长纤维）或者织物形式增强PEEK树脂基的复合材料。其中碳纤维以织物形式存在的简称为CFF/PEEK。复合材料中，树脂基体赋予了优良的力学性能、热性能、耐化学腐蚀性和易加工性能；增强纤维则主要决定了复合材料的机械性能。
CF是一种含碳量在90%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。质轻高强是其最显著的特点，密度仅有1.7g/cm3，不到钢的1/4，强度却是钢的数倍；纺织纤维的柔软可加工性；较低的电化学活性，优秀的耐腐蚀能力，有效延长使用寿命。其复合材料具有耐高低温、热膨胀系数小、吸能抗振、一定的导电性和导热性、良好的X光透光性、生物相容性等优点。
在CF/PEEK中，CF选用聚丙烯腈基CF（ PAN基CF）。 PAN基CF生产主要包括原丝生产和原丝碳化两个过程：首先通过丙烯腈聚合和纺纱等一系列工艺加工成被称为“母体“的PAN纤维或原丝，将原丝先放入氧化炉（200到300℃）氧化，再放入1000到2000℃碳化炉中进行碳化等工序制成CF。
CF按产品规格不同划分为宇航级和工业级两类，亦称为小丝束和大丝束。通常把48K以上碳纤维称为大丝束碳纤维，包括360K和480K等。宇航级初期以3K为主，逐渐发展为12K和24K，主要应用于国防军工和高技术，以及体育休闲用品，像飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、球杆球拍等。工业级碳纤维应用于不同民用工业，包括：纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等。在CF/PEEK中，考虑到PEEK分子链呈刚性且非极性，熔融态黏度高，作为复合材料基体时，对CF的浸润性较差且结合力较弱，需要对CF进行表面改性处理，纤维丝束越大，浸润相对越困难，综合考虑复合材料整体性能和整体成本，CF选择24K以下的小丝束规格。2018年开始，江苏君华特塑与东华大学合作，利用东华大学上浆剂对碳纤维编织布高温脱浆后再经过新浆处理，进行生产工艺的实验研究，已经取得一定成果。
CF/PEEK成型工艺，依据CF存在形式，采用不同的成型工艺。对于CF粉末，按照计量配比称量混合后，选用热压成型工艺制备毛坯料，而后加工成产品部件；对于长纱，可以采用螺杆挤出的方法进行造粒，随后通过挤出注塑成型成毛坯件，或者采用熔融浸渍或溶液浸渍的方法制备单向预浸料，热压成毛坯件，再行加工成型；对于CF织物，可采用熔融浸渍或溶液浸渍的方法制备预浸料，而后热压成型；也可直接采用CF织物和PEEK片材热压成型。例如，行业中普遍选用的PEEK5600CF30，其中CF30表示含有30%的碳纤维粉末或者短切纤维，其中医疗和军工等行业多是粉末，进行热压成毛坯件，再行加工而成；纺织印染和机械行业等多采用短纤造粒，注塑成型。
图2 PEEK5600CF30 应用行业展示（左-右，依次为医疗行业导向尾、汽车刹车片、纺织印染调幅螺母和航空件）
复合材料的性能随纤维体积或质量分数的提高而提高。但当CF体积分数增大到一定值时，树脂基体体积分数的减少，CF与树脂基体的粘结性能降低，从而导致复合材料各项性能的降低；CF长度对复合材料的性能也有所影响，长度稍长的CF增强效果更佳；连续纤维或者织物增强时，将复合材料的性能进一步提高。相关PEEK材料及其复合材料制品典型性能如下表1所示
表1 PEEK纯料和复合材料主要牌号及其典型性能指标
序号 | 项点，单位 | PEEK 5600G | PEEK- 5600FC30 | PEEK-5600CF30 | 预浸带 | 预浸料 |
1 | 碳纤维含量，% | （纯材料） | 30%（CF +石墨+PTFE总量 粉末或者短纤） | 30%（粉末或者短纤） | 60，单向带 | 60，双向织物 |
2 | 实密度，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 | 拉伸强度（23℃），MPa | 100 | 134 | 220 | 980 | 690 |
5 | 弯曲强度（23℃），MPa | 163 | 186 | 298 | 862 | 912 |
6 | 冲击强度，kJ-2 | 无断裂 | 32 | 46 | 440 | 500 |
注：数据摘自江苏君华特种工程塑料制品有限公司，详细数据请与该公司联系。
由表1可知，拉伸强度而言，单向CF增强拉伸强度980MPa，双向CF增强拉伸强度690MPa，对比粉末粉状增强的220MPa，数值分别提高了4.5倍和2倍。对比单纯PEEK 100MPa，数值增加更多。弯曲强度随着CF含量增加，数值也有明显提升。CF加入，强度和刚性增加，相应韧性降低，冲击强度降低；但对比粉末短纤增强，长线或者织物形式，拉伸、弯曲和冲击性能的数据明显有所提升，冲击强度提升一个数量级。
随着军工、航空航天、医疗、民用领域对材料要求越来越高，新材料替换已然成为趋势，涉及行业无一避免。连续CF/PEEK或者CFF/PEEK以其综合方面高性能逐渐被业内接受，制成的各类样件部分已经成功应用于部件中，例如2015年威格斯PEEK90HMF40成功应用于空客A350-900机门配件中，并代替之前使用的铝材，2016年威格斯宣布已成为中国商飞指定的PEEK生产商，提供单通道商用飞机 C919所需改性的PEEK材料，医疗上髓内钉瞄准支架等；部分正在试机验证（飞机发动机用星轮验证，前期使用PEEK5600CF30，目前高要求部位使用CFF/PEEK）；或者处于性能校核准备替代阶段。
图3 CFF/PEEK应用行业展示（左-右，左两个为医疗行业，右两个为飞机行业）
参考文献
【1】特种工程塑料聚醚醚酮（PEEK)的开发和应用
【2】国内聚醚醚酮（PEEK)FDM3D打印技术进展
【3】张照、曹硕、朱姝等，纺织结构碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料制备及界面改性【J】。高分子材料科学与工程，2017,33（10）：141—148
