碳纤维増强PEEK复合材料主要应用领域

碳纤维増强PEEK复合材料主要应用领域

聚酷醍酮（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150Y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幻。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酷 醍酮在力学性能、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
由于聚醍醍酮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 纤维增强的聚醍醍酮复合材料进一步增强了聚醍 醍酮的整体性能，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。碳纤维增强聚醍酷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，因此聚酷醍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，与传统韻臼假体材料超高分 子聚乙烯相比，碳纤维增强的聚醍醍酮有较高的耐 磨性能和较好的生物相容性，是一种未来韻臼假体 的理想材料。将碳纤维增强聚醍醍酮和钛合金的细 胞毒性比较，发现两者的细胞相容性相似，碳纤维 增强聚醍醍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。

（来源：中科院宁波材料所特种纤维事业部）