Resistance welding of carbon fibre reinforced polyetheretherketone composites using metal mesh and PEI film

Weldability of polyetheretherketone(PEEK) with polyetherimide(PEI) is tested. And carbon fiber reinforced PEEK laminates are resistance welded using stainless steel mesh heating element. The effects of the welding time and welding pressure on the lap shear strength of joints are investigated. Results show that PEEK can heal with PEI well in welding condition and the lap shear strength of PEEK/CF(carbon fibre) joint increases linearly with welding time, but reaches a maximum value when welding pressure ranging from 0.3 MPa to 0.5 MPa with constant welding time. The fracture characteristics of surface are analyzed by SEM techniques, and four types of fracture modes of lap shear joints are suggested.

层间熨平法增强熔丝制造CF/PEEK复合材料的力学性能

为减小熔丝制造(FFF)3D打印碳纤维增强聚醚醚酮(CF-PEEK)复合材料的孔隙率,提高其力学性能,提出一种层间熨平方法,即打印完一层后,喷嘴不挤出材料,并再次在这一层表面压过“熨平”。采用FFF工艺制备了CF/PEEK复合材料试样,通过单因素试验研究了扫描间距和层间熨平角度对CF/PEEK复合材料力学性能的影响。使用微米X射线三维成像系统对试样的内部孔隙缺陷进行表征。结果表明,当扫描间距为0.3 mm,纤维质量分数为10%时,无熨平CF/PEEK试样的孔隙率为1.91%,拉伸强度为78.5 MPa,弯曲强度为111.2 MPa。采用层间熨平法可以显著降低CF/PEEK复合材料试样的孔隙率,提高其力学性能。0°和90°熨平后,扫描间距为0.5 mm的CF/PEEK试样的孔隙率分别降低了74.08%和72.48%,拉伸强度分别提高了49.89%和41.98%,弯曲强度分别提高了20.66%和15.99%。当纤维质量分数为10%时,扫描间距0.3 mm的CF/PEEK试样的力学性能最佳,0°熨平的拉伸强度为90.9 MPa,90°熨平的弯曲强度为126.1 MPa。研究表明,层间熨平是一种降低孔隙率和提高力学性能的简单而有效的方式。

短切CF/PEEK复合材料的制备及抗紫外老化性能

CF/PEEK复合材料因轻质高强、耐腐蚀抗老化等特点,在各领域中被广泛应用,而其在成型过程中不可避免地会产生边料、废料,因此针对CF/PEEK回收再利用的研究很有意义。由于PEEK熔点高、溶体粘度大等特点,此类材料回收再利用困难,本工作通过添加一定量的PEEK树脂粉末的方法,改善短切预浸料的热压工艺性,通过紫外线加速老化实验,研究紫外老化对复合材料微观形貌、力学性能等的影响,并结合主成分分析法综合评价短切CF/PEEK复合材料的抗紫外老化性能,为热塑性预浸料和热塑性复合材料制品的回收再利用提供参考。研究结果表明:添加了树脂粉末的复合材料表面质量和力学性能得到明显的提高。试样表面的树脂基体在紫外老化作用下会出现粉化开裂并逐渐脱落的现象,在表面形成孔洞、裂纹等缺陷,紫外老化时间越长,复合材料表面受损越严重,力学性能下降越明显。通过主成分分析法得到,树脂添加量对短切CF/PEEK复合材料的抗紫外老化性能影响不大。

钛合金、聚醚醚酮（PEEK）和碳纤维增强聚醚醚酮（CFR／PEEK）表面张力的比较

目的将钛合金、聚醚醚酮(PEEK)和碳纤维增强聚醚醚酮(CFR/PEEK)加工成相同尺寸的试样,在相同条件下测量三种试样的表面接触角,并计算出三种材料的表面张力(γs)、色散分量(γsd)、极性分量(γsp)、极性分量/表面张力(γsp/γs)、极性分量/色散分量(γsp/γsd)。方法用SPSS统计学软件进行分析。结果在相同条件下,钛合金组与PEEK组相比具有低γs、低γsd、低γsp、低γsp/γs、高γsp/γsd;CFR/PEEK组与PEEK组相比具有低γs、高γsd、低γsp、低γsp/γs、高γsp/γsd;钛合金组与CFR/PEEK组具有低γs、低γsd、高γsp、高γsp/γs、低γsp/γsd。材料的极性分量越大,色散分量越小,则材料的血液相容性越差。结论在相同条件下钛合金组血液相容性要略优于PEEK组,但两组无明显著统计学差异;CFR/PEEK组较钛合金组和PEEK组具有更好的血液相容性。

碳纤维增强聚醚醚酮(CFR/PEEK)和钛合金的细胞毒性比较

目的通过体外细胞毒性试验,对碳纤维增强聚醚醚酮(CFR/PEEK)和钛合金两种材料的细胞毒性进行比较。方法培养人皮肤成纤维细胞(HSF)、人成骨细胞(HFOB)和鼠成纤维细胞(NIH3T3),提取两种材料浸提液。利用CCK-8测量细胞增殖和细胞毒性,采用SPASS12.0对数据进行统计分析,Microsoft Excel软件绘制细胞生长曲线。结果两种材料对三种细胞的增殖均有轻微抑制,但材料组和对照组之间并无显著差异;两种材料对三种细胞均无细胞毒性。结论碳纤维增强聚醚醚酮具有和钛合金相同的细胞相容性,可作为未来矫形外科固定器械的替代材料。

兔颞下颌关节突缺损模型的建立和CFR-PEEK材料人造关节的修复效果评价

目的:探讨兔颞下颌关节(TMJ)关节突缺损模型建立后实现关节置换的方法,阐明碳纤维增强型聚醚醚酮(CFR-PEEK)材料制作的TMJ假体的置换修复效果,为临床应用CFR-PEEK人造关节置换TMJ提供实验依据。方法:13只健康成年日本大耳白兔按照随机数字法分为实验组(n=6)、阳性对照组(n=4)和阴性对照组(n=3)。实验组兔切除右侧TMJ关节突,建立关节缺损模型,同期植入CFR-PEEK人造关节;阳性对照组兔切除右侧TMJ关节突,建立关节缺损模型,不植入CFR-PEEK人造关节;阴性对照组兔不做任何处理。通过CT影像学检查评估人造关节植入后的固位和替代修复效果。连续记录13周各组兔体质量并进行比较。结果:建立的兔TMJ关节突缺损模型能够成功植入CFR-PEEK人造关节。CT影像学检查,经三维重建和体外显影处理后可见植入CFR-PEEK人工关节固位良好,代替正常关节发挥作用;13周兔体质量观察,与阳性对照组比较,实验组兔体质量增加(P<0.05);实验组和阴性对照组兔体质量均明显增加,但2组比较差异无统计学意义(P>0.05)。实验组和阴性对照组兔体质量均正常增长,阳性对照组兔体质量增长较为缓慢,甚至停止增长或者负增长。结论:植入CFR-PEEK人造关节修复关节突缺损能够有效恢复兔正常咀嚼功能,CFR-PEEK人造关节成功应用于TMJ缺损修复,有望成为一种重建TMJ关节突的理想材料。

油润滑下短碳纤维强化PEEK齿轮接触疲劳试验研究

针对注塑成型的碳纤维强化PEEK(PEEK-CF)齿轮在接触疲劳方面所进行的研究较少、失效机理尚不清晰的问题,开展30%PEEK-CF齿轮几何精度、齿面粗糙度和注塑缺陷的表面完整性测试表征,并进行油润滑下钢-PEEK-CF齿轮副耐久试验,绘制PEEK-CF齿轮接触疲劳S-N曲线。发现PEEK-CF齿轮能更好地适用于中低载荷工况,认为其在输出扭矩为40 N·m、接触应力为323.6 MPa的条件下有无限寿命。通过对失效试件断口SEM图进行失效分析,判断30%PEEK-CF齿轮失效机理主要为基体内碳纤维断裂。

PEEK/CCF复材增材制造多重分形谱表面形貌评定方法

随着航空事业的发展,增材制造(AM)被用于连续碳纤维增强聚醚醚酮(PEEK/CCF)复材的成型制造中,其中AM工艺参数对PEEK/CCF复材加工形貌有较大影响。基于此提出了一种基于多重分形谱表面形貌评定方法,通过PEEK/CCF复合材料在AM中的成型速度(v)、成型厚度(s)、成型角度(θ)与加工表面粗糙度和表面形貌之间的关系设计了单因素试验,研究了PEEK/CCF复合材料在AM中的v,s,θ与表面形貌之间的关系,结合成型材料表面多重分形谱的方式,评定AM中所选工艺参数对表面形貌的影响,得到了加工表面粗糙度和表面形貌随v,s,θ的变化特点。结果表明,v,s对材料表面形貌有明显影响,θ对表面形貌影响较小,通过试验验证了PEEK/CCF复合材料表面形貌有较好的分形特征,多重分形谱谱差ΔD(α)表征表面波峰波谷的占比,其值越大,材料表面形貌越复杂,分形谱的宽度Δα表征表面起伏程度,定性表征了形貌特征,最终工艺参数组合为v=20 mm/s,s=0.2 mm,θ=30°。

碳纤维含量对碳纤维增强聚醚醚酮复合材料弯曲性能和失效行为的影响

基于渐进损伤的VUMAT子程序,并引入了Johnson-Cook模型,通过Matlab生成了不同碳纤维占比的碳纤维增强聚醚醚酮(CFRP)复合材料,建立了三点弯曲有限元模型。通过分析应力—应变分布、载荷—位移曲线和吸收能—位移曲线得出以下结论:添加碳纤维有效改善了基体聚醚醚酮(PEEK)内部的应力—应变分布,显著提升了材料的力学性能、刚度和抗断裂性能。CFRP复合材料在三点弯曲过程中表现出更好的性能,能够承受明显的塑性变形,且有效避免裂纹扩展。此外,在相同位移载荷条件下,随着碳纤维含量增加,CFRP复合材料的位移逐渐减小。特别是在碳纤维质量分数为10%和20%的复合材料中,上表面和下表面的最大位移呈现出曲折的特点。结合应力—应变场的分布情况,这表明碳纤维的添加能有效提高材料的刚度和抗弯性能。

碳纤维增强聚醚醚酮材料动态冲击数值模拟

为探究不同含量碳纤维(CF)增强聚醚醚酮(PEEK)复合材料在动态冲击载荷下的力学性能,采用了有限元软件ABAQUS基于VUMAT子程序开发一个渐进损伤模型,并结合Johnson-Cook材料模型用以模拟材料高应变率响应。通过Matlab编程,构建了四种不同CF体积分数(0%,10%,20%,30%)复合材料模型,并对其进行动态冲击加载模拟。模拟结果表明,随着CF含量的增加,复合材料在冲击载荷下的应力-应变分布得到了显著改善。具体来说,CF有效限制了冲击区域的应力集中,降低了材料的损伤程度。此外,含CF的复合材料展现出更高的等效塑性应变和极限载荷,这表明材料的强度和刚度得到了增强,从而提高了其抵抗冲击的能力。分析表明,CF增强PEEK降低了复合材料在冲击过程中的刚度退化,这有助于提高材料的能量吸收效率,减少冲击失效的可能性。证实了CF对于改善PEEK基复合材料冲击性能的积极作用,并且随着CF含量的增加,材料冲击失效风险得到了有效降低。

碳纤维-聚醚醚酮改性促进材料成骨活性和抗菌性能的研究进展

碳纤维-聚醚醚酮(carbon fiber-polyetheretherketone,CF-PEEK)因生物安全性、射线可穿透性、与皮质骨弹性模量的高匹配度等诸多优异性能,而被认为是骨科及牙科领域极具潜力的植入材料。如何增强CF-PEEK的生物活性和抗菌性,提高其与骨组织的结合能力,是CF-PEEK表面改性中的研究热问题。本文就碳纤维-聚醚醚酮改性促进材料成骨活性和抗菌性能的研究进展及应用前景进行综述。

碳纤维增强聚醚醚酮材料性能研究及其在骨科植入物中的应用综述

介绍了碳纤维增强聚醚醚酮(carbon fiber reinforced polyetheretherketone,CFPEEK)材料常用的制备方法及其在力学性能、磨损性能、生物相容性、生物活性方面具有的优势,分析了CFPEEK材料在脊柱和关节植入物中的临床应用现状及不足,指出了引入第三方元素或对CFPEEK材料进行结构改性是保证CFPEEK材料在骨科植入物中广泛应用的关键。

模压成型工艺参数对CF/PEEK复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的影响

连续碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料是重要的医疗器械及航空航天热塑性复合材料,可采用模压成型工艺制备层合板及结构,其工艺参数影响复合材料力学性能。本文主要考察了模压成型温度、压力以及降温速率等参数对CF/PEEK复合材料Ⅰ型层间断裂韧性(G IC)的影响规律,并通过扫描电镜表征复合材料撕裂面的微观形貌,分析材料失效模式。较高的模压成型温度可提高基体分子链流动性,适中的成型压力有利于控制树脂不被过多挤出模具,适中的降温速率可降低结晶度并抑制界面粘结强度的损失,均有利于提高CF/PEEK复合材料的G IC。

基于氧化石墨烯修饰活化碳纤维的聚醚醚酮基复合材料

碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料是重要的航空热塑性复合材料,其弱点是碳纤维(CF)与基体界面结合性差,导致层间剪切强度(ILSS)较低。文中将氧化石墨烯/聚醚酮酮(GO/PEKK)混合上浆剂涂覆于活化CF表面,制备了纤维-基体界面修饰的具有高ILSS的CF/PEEK复合材料。采用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱和热重分析分别对表面修饰剂及其改性CF的微观形貌与结构进行表征,采用静力学测试、动态力学分析和SEM等对复合材料断裂行为进行评价与分析。结果表明,当GO质量分数不超过0.5%时,在PEKK中分散良好;由于界面修饰剂的氢键作用,CF/PEEK复合材料的弯曲强度、模量和ILSS均大幅提高,断裂形式从纤维-基体脱粘转变为基体变形及断裂,表明基体与增强体的相互作用增强。

激光加工双级结构对Al/CFRPEEK接头组织及性能的影响

由于PEEK材料自然表面的极性基团较少,摩擦搭接焊方法难以直接连接碳纤维增强PEEK复合材料(CFRPEEK)和铝合金。通过表面激光加工的方法,在铝合金6061-T6表面加工微孔阵列结构,实现了CFRPEEK和6061-T6的摩擦搭接焊连接,CFRPEEK/6061-T6接头强度显著提高。结果表明,激光加工在6061-T6表面制备了微米尺度的孔阵列和纳米尺度的颗粒,形成双尺度分级结构,改变了6061-T6表面的润湿性;当6061-T6表面达到超疏水性,6061-T6与CFRPEEK之间具有更高的粘附性能和连接强度,并且6061-T6/CFRPEEK连接界面上未观察到孔洞;微尺度机械咬合是CFRPEEK与6061-T6连接的主要机制,是连接强度提高的主要原因。

平顶激光辐照CF/PEEK复合材料熔凝过程有限元仿真

为了阐明平顶激光辐照下碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)的熔凝特性,构建了方形平顶激光束的数学模型和CF/PEEK复合材料的几何模型,利用COMSOL有限元仿真软件,计算仿真了方形平顶激光辐照CF/PEEK的加热过程和停止加热后的冷却过程。其中,方形平顶激光功率密度为5 MW/m,平顶区域功率占比为94.37%,加热15 ms使CF/PEEK的表面温度达到370℃左右。在沿碳纤维轴向方向上,辐照区域内温差0.5℃以内,辐照区域边缘温差1℃左右;在沿碳纤维径向方向上,辐照区域内温度曲线呈现波浪状,波峰与波谷的温差为4℃,辐照区域边缘温差为5℃左右。在CF/PEEK凝固过程中,会有小型熔池区域出现,并且存在较大的固液共存区。

碳纤维增强聚醚醚酮复合材料化学镀镍工艺

碳纤维增强聚醚醚酮复合材料是一种耐高温、机械性能优异、自润滑性好、耐化学品腐蚀、阻燃及耐剥离性能优异的特种工程复合材料。复合材料表面金属化不仅可以改善其装饰性,还可以进一步改善复合材料的抗磨减磨性能、抗氧化性能和阻燃性能等。详细阐述了碳纤维增强聚醚醚酮复合材料表面化学镀镍的工艺过程、影响因素、原理及质量评价方法,为推广规范的化学镀镍工艺,改善化学镀镍层质量,扩大工业应用提供了借鉴。

碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的界面改性

由于其优异的性能。碳纤维(CF)增强聚醚醚酮(PEEK)热塑性复合材料是近年来先进复合材料研发的热点。但因PEEK熔融黏度大、CF丝束密集且具有化学惰性,树脂对纤维丝束浸渍困难和界面相互作用弱阻碍了高性能热塑性复合材料广泛应用,放改进界面性能是研究的重点。本文采用聚醚酰亚胺(PEI)以及聚醚酰亚胺/氧化石墨烯(PEI/GO)对活化后的CF表面进行界面改性处理,再通过模压成型制备CF/PEEK复合材料。结果表明,1 wt%PEI改性剂有效增强了纤维-基体间的相互作用力,0.5 wt%GO的添加使得界面结合性能进一步提升,层间剪切强度(ILSS)提高了68%,弯曲强度、弯曲模量分别提高了54%、68%。复合材料破坏形式由树脂-基体脱黏转变为基体内部断裂。

环控系统高温管路用聚醚醚酮的应用性能研究

研究了环控系统高温管路拟采用的炭黑共混聚醚醚酮和20%碳纤维增强聚醚醚酮复合材料在室温条件下的机械性能以及在高温条件下的力学性能。结果表明,炭黑共混聚醚醚酮和20%碳纤维增强聚醚醚酮都具有较优异的力学性能和耐高温性能,能长期在250℃的环境中使用,可用作飞机上的高温管路系统的材料。

髓内钉及骨科植入材料的研究进展

髓内钉是一类优点突出的骨科植入器械,这类产品对生物相容性和耐摩擦磨损性能的高要求促进了新型骨科植入材料的开发和研制。我们综述了多种骨科植入材料尤其是碳纤维增强聚醚醚酮复合材料(CF/PEEK)在植入器械领域的广泛应用。