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CF/PEEK碳纤维复合材料和传统碳纤维复合材料在医疗行业的应用差异

浏览次数:3432019-01-03  

碳纤维复合材料自20世纪50年代被开发出来之后,因其优异的性能在军事和航空航天领域被广泛应用。随着人类对碳纤维复合材料研究的不断深入和完善,碳纤维复合材料的应用也在不断增加,目前已经被广泛应用于航天军工、医疗、汽车、建筑、体育用品、无人机等领域。

目前市面上的碳纤维复合材料主要有两大类:一类是热固性碳纤维复合材料,以环氧热固性碳纤维复合材料为代表,另一类是热塑性碳纤维复合材料,以CF/PEEK为代表。根据碳纤维布编织纹理又可分为平纹、斜纹、缎纹以及单向等多种复合材料。

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图1 碳纤维布编织纹理形式(从左往右依次为:平纹、斜纹、缎纹、单向)

环氧热固性碳纤维复合材料

环氧热固性碳纤维复合材料在国内目前已经具备成熟的生产工艺。环氧热固性碳纤维复合材料纹路以编织为主,一些特殊行业会用到单向编织。目前主要应用于军工、汽车及其他工业方面。碳纤维含量正常是在60%-70%,其余30%-40%是环氧树脂胶。成品的密度一般 1.7g/cm³左右。

优点

1:强度高,因为其碳纤维含量高达60%-70%,所以材料的刚性特别强。其部分力学性能完全优于铝合金。

2:质量轻,相对于铝合金可以减重40%,相对于不锈钢可以减重78%。

3:透X光,碳纤维本身具有良好的透X光性能,在加工成复合材料之后依旧保持良好的透光性。

4:加工尺寸稳定,除了使用碳纤维布外,环氧树脂固化后本身常温下变形性小,所以材料的稳定性较,加工后不会出现明显变形。

  缺点

1:脆性大,因为环氧树脂本身刚性基团多,而柔韧性基团少,交联固化后成网络结构,导致产品的脆性大,不耐冲击,加工时容易崩口,开裂甚至分层。所以不适合用于加工一些骨科的医疗器械产品。

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(上图为环氧热固性碳纤维复合材料的器械在使用过程中出现开裂)

2:耐湿热水解性差,环氧型在成型时很难保证树脂或者固化剂完全反应,导致环氧型的碳纤维板耐水解和耐湿热性差。所以环氧型碳纤维复合材料,不要反复消毒使用。

3:耐温性相对热塑性碳纤维复合材料较低,碳纤维材料本身可以耐受上千摄氏度的高温,但是常规的环氧树脂正常能耐受的温度只有150℃,超过200℃环氧树脂就有出烟的现象,300℃基本上就开始碳化。

4:难加工,因为碳纤维本身对刀具有很大的磨损,所以对于碳纤维的精密零件,很难加工,同时加工的粉末进入机床导轨后会磨损丝杆,影响机床的加工精度。

5:环氧树脂与碳纤维结合强度不好,磨损后会有黑色粉末颗粒产生。 

6:材料不可回收再利用  

CF/PEEK热塑性碳纤维复合材料

CF/PEEK热塑性碳纤维复合材料一般是以缎纹编织的为主,缎纹的纹路之间间隙大,有错层间隙更有利于PEEK胶料的浸渍或者浸润。PEEK材料的流动性不好,冷却固化速度快。所以碳纤维复合材料的浸润难度要远远高于环氧型碳纤维复合材料。PEEK的热塑性复合材料一般碳纤维占比50~ 60%之间。密度一般为1.56g/cm³左右。PEEK本身作为特种高性能工程塑料,具有很多普通材料不具备的性能优点,如高强度,耐高温,自润滑,耐水解,耐腐蚀等等。所以PEEK型的碳纤维复合材料相较于普通环氧型的碳纤维复合材料,性能更加优越,解决了环氧型复合材料存在的很多问题。因PEEK本身价格比较昂贵,工艺成型难度大,所以目前PEEK热塑性复合材料的价格也比较昂贵。目前主要广泛应用于医疗和军工行业。

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优点

1:强度高,PEEK本身就是一种高强度的工程塑料,所以在PEEK和碳纤维复合之后,复合材料的部分力学性能已经超过普通金属的力学性能,如铝合金。

2:质量轻,相对于铝合金只有其重量的1/2,相对于不锈钢只有其重量的1/5。

3:透X光,PEEK和碳纤维本身都具有良好的透X光性能,在加工成复合材料之后依旧可以保持良好的透光性。

  4:加工尺寸稳定,因为材料采用的是编织的碳纤维布来加工的,所以材料的稳定性较好,加工后不会出现变形。

5:耐高温,PEEK的耐温性远远超过环氧树脂,可以在260℃长时间使用。复合之后可以耐受反复消毒不变形。

6:耐腐蚀,碳纤维和PEEK两种材料本身都耐一般的化学腐蚀,尤其是PEEK材料,复合过程中一般不产生化学反应,复合后,PEEK对碳纤维又形成了一层包覆,使复合之后材料的耐腐性能更加出众。

7:层间结合强度好,江苏君华生产的PEEK碳纤维复合材料不易分层。热塑性在模压成型时,熔融后结合到一体的结合强度高。所以不易分层。从PEEK与碳纤维结合角度说一些,PEEK和碳纤维之间的结合强度很高,因此纤维释放现象大大减少或没有。另外,由于PEEK具有抗蠕变力,PEEK聚合物能够长时间承受相对大的压力,不会随时间扩展,并且具有良好的纤维-母体界面结合强度。

8:抗冲击,热塑性树脂通常为线性分子链,因为韧性较好,抗冲击能量高。

9:可回收,热塑性碳纤维复合材料具备可直接回收利用的特性优点。

10:国外科学实验证明,可植入碳纤维增强聚醚醚酮复合材料不仅无细胞毒性,还能促进骨细胞的蛋白合成和成骨,用作人工关节假体时呈现出良好的促成骨细胞增生及粘附能力,碳纤维增强聚醚醚酮复合材料与骨的界面结合强度优于其它人工关节材料,临床应用疗效明显优于金属材料产品,能从根本上缓解目前关节假体金属材料由于力学和生物学不相容所导致的假体松动并发症等问题。

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缺点

1:价格贵,目前国内的PEEK热塑性碳纤维复合材料才刚起步,生产和研发的成本都比较高。所以材料的价格也比较昂贵。

2:加工难度大,因为碳纤维对刀具的磨损较大,所以复合后的材料加工成本较高,加工难度较大。目前碳纤维的复合材料都存在这个问题。

3:目前国内生产的单位少,很难找到合适的采购单位

近俩年国内也陆续有一些单位开始开发CF/PEEK热塑性碳纤维复合材料,江苏君华就是其中的一家。目前江苏君华生产的热塑性PEEK碳纤维复合材料,已通过力学性能测试,被多家国内知名医疗器械单位用于医疗加工髓内钉器械的瞄准架。目前验证下来发现,热塑性CF/PEEK碳纤维复合材料加工的瞄准架透光性好,强度高,尺寸稳性定,100次消毒后依然可以精准定位。

 "综上所述,针对不同的产品如何选择不同类型的碳纤维复合材料,应该有了初步的理解,希望此篇文章对您来说有所借鉴。”


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