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连续碳纤维增强PEEK复合材料的应用选型

浏览次数:11602019-01-21  

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。

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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。

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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。

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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


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