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【科普知识】碳纤维增强PEEK复合材料主要应用领域
发布日期:2019-07-22  来源:中科院宁波材料所特种纤维事业部  浏览次数:498
 
  聚醚醚酮(简称PEEK)不仅具有优异的机械、耐热和耐化学品性能,且摩擦系数低,承载啮合性好,是继聚四氟乙烯(PTFE)后又一类良好的自润滑材料,在承载能力和耐磨性方面比PTFE表现更好,在无润滑、低速高载、高温、潮湿、污染、腐蚀等恶劣环境下尤为适用。在此基础上,碳纤维的加入不仅增强了它的力学性能,对它的摩擦性能也有重要的影响。
 

 
  30%的碳纤维增强PEEK复合材料在室温下,拉伸强度比未增强时增加一倍,在150℃下达到三倍,与此同时,增强后的复合材料在冲击强度、弯曲强度和模量方面也得到了大幅度的提升,伸长率急剧降低,热变形温度可超过300℃。复合材料的冲击能量吸收率直接影响到复合材料在承受冲击时的表现,碳纤维增强PEEK复合材料显示出高达180kJ/kg的比能吸收能力。
 
  碳纤维的增强效应还可以在一定程度上抵御PEEK的热软化及形成强度非常高的转移膜,能有效地保护接触区域,所以碳纤维增强的PEEK复合材料的摩擦系数与比磨损率明显比纯PEEK要低。在相同的实验条件下,碳纤维增强PEEK复合材料的耐摩擦磨损性能明显优于玻纤PEEK复合材料,碳纤维对材料耐磨性能的改善效果是相同用量玻纤的5倍以上。碳纤维增强PEEK复合材料用于零部件制作,可以有效避免金属或者陶瓷材料容易产生表面裂纹等这类问题,其优良的摩擦学性能甚至超过超高摩尔质量的聚乙烯。
 
  碳纤维增强PEEK主要应用领域包括以下四方面:
 
  1、电子电器领域
 
  PEEK在高温、高压和高湿度等恶劣的环境下,仍能保持良好的电绝缘性,并在很宽的温度范围内具有不易变形等特性,因此被作为理想的电绝缘材料应用于电子电器领域。经过碳纤维增强后的聚醚醚酮在力学性能、耐化学腐蚀、耐辐射性和耐高温性能等方面都有进一步的提高,使其应用领域进一步扩大。例如根据碳纤维增强后阻止晶片不会静电放电等特性,美国H-Square公司用其制造真空吸盘,保证部件在硅晶片真空搬运系统中不会造成污染和瞬间放电而破坏晶片。
 

 
  2、航空航天领域
 
  由于聚醚醚酮PEEK具有低密度及良好的加工性等优势,便于直接加工成高要求的零部件,而碳纤维增强的聚醚醚酮复合材料进一步增强了聚醚醚酮的整体性能,从而越来越多地被应用于飞机制造。例如,波音757-200系列飞机使用的整流罩就是用碳纤维增强PEEK材质制造的。另外荷兰阿姆斯特丹的Gereedschappen Fabrick公司用30%碳纤维增强PEEK复合材料制作较大部件,并证明其力学性能可应用于飞机平衡装置。
 

 
  3、汽车领域
 
  汽车的能耗与车重紧密相关,汽车轻量化不仅可降低燃油消耗和废气排放,还可以提高动力性和安全性,是汽车节能的有效途径。汽车轻量化除了通过结构轻量化设计外,采用轻质材料是更为直接的方法。碳纤维增强聚醚醚酮复合材料凭借其密度小、性能良好、工艺方便等优势,越来越频繁地出现于汽车行业,且表现出以塑代钢的巨大潜力。例如,Robert Bosch GmbH公司采用碳纤维增强PEEK代替金属作为ABS的功能部件,较轻的复合材料零件降低了转动惯量,从而使反应时间最小化,极大地增强了整个系统的反应性能,且与以前使用的金属零件相比成本有所降低。
 

 
  4、医疗领域
 
  目前可用的医用高分子材料有聚四氟乙烯、聚乳酸、硅橡胶等数十种,但是从生物医学的角度上来看,这些材料还不算理想,在使用过程中多少有些副作用,而PEEK树脂因为具有无毒、质量轻、耐磨蚀等优点,是与人体骨骼最接近的材料,可与肌体有机结合,因此聚醚醚酮树脂及其复合材料近年作为骨科植入物被深入研究并应用于脊柱、关节等方面。相关研究证明,与传统髋臼假体材料超高分子聚乙烯相比,碳纤维增强的聚醚醚酮有较高的耐磨性能和较好的生物相容性,是一种未来髋臼假体的理想材料。将碳纤维增强聚醚醚酮和钛合金的细胞毒性比较,发现两者的细胞相容性相似,碳纤维增强聚醚醚酮复合材料可作为未来矫形外科固定器械的替代材料。国内已有的典型应用是无锡智上新材料科技有限公司采用的碳纤维增强PEEK骨外科固定支架、瞄准器支架等医疗器械,在强度、耐腐蚀、耐磨性以及耐湿热性等方面表现良好,有望在更多高端医疗器械中应用。
 
 
 
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