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科普 | 碳纖維增強PEEK復合材料主要應用領域

科普 | 碳纖維增強PEEK復合材料主要應用領域

2019-07-23 09:19:39

聚醚醚酮(簡稱PEEK)不僅具有優異的機械、耐熱和耐化學品性能,且摩擦系數低,承載嚙合性好,是繼聚四氟乙烯(PTFE)后又一類良好的自潤滑材料,在承載能力和耐磨性方面比PTFE表現更好,在無潤滑、低速高載、高溫、潮濕、污染、腐蝕等惡劣環境下尤為適用。

在此基礎上,碳纖維的加入不僅增強了它的力學性能,對它的摩擦性能也有重要的?影響。

30%的碳纖維增強PEEK復合材料在室溫下,拉伸強度比未增強時增加一倍,在150℃下達到三倍,與此同時,增強后的復合材料在沖擊強度、彎曲強度和模量方面也得到了大幅度的提升,伸長率急劇降低,熱變形溫度可超過300℃。復合材料的沖擊能量吸收率直接影響到復合材料在承受沖擊時的表現,碳纖維增強PEEK復合材料顯示出高達180kJ/kg的比能吸收能力。

碳纖維的增強效應還可以在一定程度上抵御PEEK的熱軟化及形成強度非常高的轉移膜,能有效地保護接觸區域,所以碳纖維增強的PEEK復合材料的摩擦系數與比磨損率明顯比純PEEK要低。

在相同的實驗條件下,碳纖維增強PEEK復合材料的耐摩擦磨損性能明顯優于玻纖PEEK復合材料,碳纖維對材料耐磨性能的改善效果是相同用量玻纖的5倍以上。

碳纖維增強PEEK復合材料用于零部件制作,可以有效避免金屬或者陶瓷材料容易產生表面裂紋等這類問題,其優良的摩擦學性能甚至超過超高摩爾質量的聚乙烯。

碳纖維增強PEEK主要應用領域包括以下四方面:

1、電子電器領域

PEEK在高溫、高壓和高濕度等惡劣的環境下,仍能保持良好的電絕緣性,并在很寬的溫度范圍內具有不易變形等特性,因此被作為理想的電絕緣材料應用于電子電器領域。

經過碳纖維增強后的聚醚醚酮在力學性能、耐化學腐蝕、耐輻射性和耐高溫性能等方面都有進一步的提高,使其應用領域進一步擴大。例如根據碳纖維增強后阻止晶片不會靜電放電等特性,美國H-Square公司用其制造真空吸盤,保證部件在硅晶片真空搬運系統中不會造成污染和瞬間放電而破壞晶片。

2、航空航天領域

由于聚醚醚酮PEEK具有低密度及良好的加工性等優勢,便于直接加工成高要求的零部件,而碳纖維增強的聚醚醚酮復合材料進一步增強了聚醚醚酮的整體性能,從而越來越多地被應用于飛機制造。

例如,波音757-200系列飛機使用的整流罩就是用碳纖維增強PEEK材質制造的。另外荷蘭阿姆斯特丹的Gereedschappen Fabrick公司用30%碳纖維增強PEEK復合材料制作較大部件,并證明其力學性能可應用于飛機平衡裝置。

3、汽車領域

汽車的能耗與車重緊密相關,汽車輕量化不僅可降低燃油消耗和廢氣排放,還可以提高動力性和安全性,是汽車節能的有效途徑。

汽車輕量化除了通過結構輕量化設計外,采用輕質材料是更為直接的方法。碳纖維增強聚醚醚酮復合材料憑借其密度小、性能良好、工藝方便等優勢,越來越頻繁地出現于汽車行業,且表現出以塑代鋼的巨大潛力。

例如,Robert Bosch GmbH公司采用碳纖維增強PEEK代替金屬作為ABS的功能部件,較輕的復合材料零件降低了轉動慣量,從而使反應時間最小化,極大地增強了整個系統的反應性能,且與以前使用的金屬零件相比成本有所降低。

4、醫療領域

目前可用的醫用高分子材料有聚四氟乙烯、聚乳酸、硅橡膠等數十種,但是從生物醫學的角度上來看,這些材料還不算理想,在使用過程中多少有些副作用,而PEEK樹脂因為具有無毒、質量輕、耐磨蝕等優點,是與人體骨骼最接近的材料,可與肌體有機結合,因此聚醚醚酮樹脂及其復合材料近年作為骨科植入物被深入研究并應用于脊柱、關節等方面。

相關研究證明,與傳統髖臼假體材料超高分子聚乙烯相比,碳纖維增強的聚醚醚酮有較高的耐磨性能和較好的生物相容性,是一種未來髖臼假體的理想材料。將碳纖維增強聚醚醚酮和鈦合金的細胞毒性比較,發現兩者的細胞相容性相似,碳纖維增強聚醚醚酮復合材料可作為未來矯形外科固定器械的替代材料。

國內已有的典型應用是無錫智上新材采用的碳纖維增強PEEK骨外科固定支架、瞄準器支架等醫療器械,在強度、耐腐蝕、耐磨性以及耐濕熱性等方面表現良好,有望在更多高端醫療器械中應用。


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