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。

玻璃纤维增强聚醚醚酮线圈骨架内径收缩控制

分析某控制棒驱动机构(简称CRDM)样机研制中,国产玻璃纤维增强聚醚醚酮线圈骨架内径收缩问题,通过试验查找问题原因,结合CRDM线圈制造工艺,提出线圈骨架原材料制造和线圈绕制中控制内径收缩改进措施,经过实践证明有效。

碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的研究及应用

随着新材料和成型工艺的不断发展,现代装备制造领域正朝着高强度、轻量化方向迈进。碳纤维增强聚醚醚酮[CarbonFiber/Poly(Ether-Ether-Ketone),CF/PEEK]复合材料,因其绝缘性好、耐腐蚀性强、力学性能优异的特点,在航空、医用等领域备受关注,促使其制备工艺及性能研究取得了飞速发展。文章主要阐述近年来CF/PEEK复合材料的研究进展,并总结其在航空领域中的应用。

有限元分析碳纤维增强聚醚醚酮与钛合金髓内钉固定胫骨中段骨折的效果

目的 采用有限元分析方法比较低模量碳纤维增强聚醚醚酮(CFR-PEEK)髓内钉与钛合金髓内钉固定胫骨中段骨折的效果。方法 采用钛合金和不同碳纤维含量CFR-PEEK(CF30、CF50、CF60)髓内钉固定胫骨干粉碎性骨折,分析皮质骨最大应力、骨折最大位移。结果 在轴向压缩200 N载荷条件下,髓内钉最大应力集中在胫骨近端区域,钛合金组最大应力为104.2 MPa,CF30组为32.7 MPa,CF50组为103.3 MPa,CF60组为103.1 MPa。在轴向压缩700 N载荷条件下,髓内钉最大应力也位于胫骨近端区域,钛合金组最大应力为294.2 MPa,CF30组为175.0 MPa, CF50组为143.6 MPa,CF60组为145.0 MPa。在轴向压缩200 N、700 N载荷条件下,钛合金组最大位移分别为1.07 mm和3.15 mm,CF30组分别为4.25 mm和8.17 mm,CF50组分别为2.02 mm和4.15 mm,CF60组分别为1.94mm和4.08 mm。结论 CF50、CF60髓内钉可安全应用于胫骨干粉碎性骨折,而CF30髓内钉不适用于胫骨干粉碎性骨折。CFR-PEEK材料具有一定的生物力学优势,值得进一步研究。

置入碳纤维增强聚醚醚酮股骨头假体稳定性的生物力学分析

背景:在关节置换领域里,金属合金材料始终处于主导地位,但这种材料的最大缺陷是弹性模量高,由此产生应力遮挡,进而引起骨吸收、骨萎缩甚至假体松动等一系列并发症。碳纤维增强聚醚醚酮复合材料是各向异性材料,可以达到低弹高强,应用于制备人工假体有许多优势。目的:探讨碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的血液相容性,并比较了碳纤维增强聚醚醚酮复合材料股骨头假体和钴铬钼合金股骨头假体置换后的生物力学特性。方法:(1)以溶血实验评价碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的血液相容性;(2)收集8对新鲜成人尸体股骨标本,随机分为碳纤维增强聚醚醚酮假体组和钴铬钼合金假体组进行相应假体置换,测量加载200,400,600,800,1 000 N负荷下假体与骨之间的微动量,并检测假体置换后的抗扭转强度。结果与结论:(1)以碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的溶血率为3.23%<5%,符合国家医疗器械生物学评价标准;(2)2组假体远端微动均明显小于近端(P<0.05);不同负荷下钴铬钼合金假体组远端、近端的微动量均显著大于碳纤维增强聚醚醚酮假体组(P<0.05);(3)碳纤维增强聚醚醚酮假体组不同负荷下的载荷-扭角均显著小于钴铬钼合金假体组(P<0.05),抗扭刚度均显著大于钴铬钼合金假体组(P<0.05);(4)结果说明碳纤维增强聚醚醚酮复合材料血液相容性较好,具有较好的稳定性,可用于假体置换。

短切玻璃纤维增强聚醚醚酮承力支架研制

为加工某航天器高性能承力支架零件,本文对不同玻璃纤维含量的短切玻璃纤维增强聚醚醚酮(SGF/PEEK)的力学性能进行了分析,利用Moldflow分析软件对承力支架注塑模具、注塑工艺参数进行了优化。结果表明,30wt%的SGF/PEEK作为承力支架材料时力学性能最优,模流分析有效预测注塑过程,改善主流道及二级流道尺寸可有效提升保压效果,保压压力和模具温度对承力支架翘曲变形的影响最为显著,得出一组优化的工艺参数,采用该参数成型的零件已成功应用于某航天器燃料贮箱中并通过了飞行考核。

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。

碳纤维增强聚醚醚酮化学镀镍磷合金工艺及镀层性能

在碳纤维(CFs)增强聚醚醚酮(PEEK)基体表面通过化学镀制备了镍磷合金镀层,研究了NiSO_(4)·6H_(2)O质量浓度、NaH_(2)PO2·H_(2)O质量浓度和镀液pH对镀层沉积速率及电磁屏蔽效能的影响,获得的最佳配方和工艺为:NiSO_(4)·6H_(2)O 25 g/L,NaH_(2)PO2·H_(2)O 30 g/L,乙酸钠20 g/L,柠檬酸钠10 g/L,乳酸30 mg/L,硫脲0.03 g/L,pH 6.1,温度80℃,时间120 min。利用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪和显微硬度计表征了最佳工艺条件下所得镀层的表面和截面形貌、元素成分、物相结构以及显微硬度,通过冷热循环法测试了镀层的结合力,采用动电位极化曲线和电化学阻抗谱技术考察了镀层的耐蚀性,并测试了镀层的电磁屏蔽效能。结果表明,基材表面沉积了一层结合力强,厚度约为30μm,平均显微硬度为644.7 HV,磷质量分数为15.41%,且具有良好的耐蚀性和电磁屏蔽效能的结瘤状镍磷合金镀层。

碳纤维增强聚醚醚酮与钛合金血液相容性的比较

背景:碳纤维增强聚醚醚酮是聚醚醚酮的改进复合材料,改善了纯聚醚醚酮强度不足的缺点,扩大了其在各方面的使用范围。但若要成为应用于人体内的医用材料,必须具有良好的血液相容性。目的:比较碳纤维增强聚醚醚酮和钛合金对人血细胞的影响,判断碳纤维增强聚醚醚酮是否具有良好的血液相容性。设计、时间及地点:对比观察实验,于2008-06/08在吉林大学第三临床医学院中心实验室完成。材料:取实心钛合金股骨干髓内针1根及含20%碳纤维的碳纤维增强聚醚醚酮样条若干,机加工成棒形试样(长5mm,直径1mm)各20个。方法:在相同条件下,将钛合金和碳纤维增强聚醚醚酮2种材质的试件分别放置于新鲜人血中,通过观察溶血率,血小板激活程度以及白细胞激活程度判断材料的血液相容性。主要观察指标:应用游离血红蛋白直接测定法测量材料溶血率;流式细胞术测量血小板CD62p、CD63含量和白细胞表面黏附分子CD11b/CD18表达。结果:2种材料溶血率,血小板CD62p含量、CD63含量、白细胞表面黏附分子CD11b/CD18表达水平差异无显著性意义(P>0.05)。结论:碳纤维增强聚醚醚酮和钛合金对人血红细胞、白细胞和血小板无显著影响,均具有良好的血液相容性。

石墨烯对碳纤维增强聚醚醚酮生物活性的影响

为促进碳纤维增强聚醚醚酮(CFR-PEEK)的生物活性,提高其临床应用效果,使用石墨烯对CFR-PEEK进行表面修饰。制备石墨烯表面修饰碳纤维增强聚醚醚酮,对其稳定性和亲水性进行分析;将其应用到白鼠骨髓基质干细胞中分析其对增值和骨分化的影响。实验结果表明,制备的石墨烯表面修饰碳纤维增强聚醚醚酮具有比较好的稳定性;相比于CFR-PEEK,石墨烯表面修饰CFR-PEEK具有更好的亲水性;石墨烯表面修饰CFR-PEEK材料能够促进白鼠骨髓基质干细胞增值,能够促进白鼠骨髓基质干细胞的成骨分化。所以石墨烯表面修饰能够显著促进CFR-PEEK材料的生物化。

基于Moldflow的玻纤增强聚醚醚酮支撑架模流分析

采用Moldflow分析软件对某航天器用玻纤增强聚醚醚酮支撑架进行了模流分析,基于分析结果提出了成型的注塑工艺参数,并且最终成型了支撑架制品。研究表明,壁厚不均匀和较大的收缩内应力是导致制品出现显著体积收缩和翘曲变形的内因,需适当调整壁厚结构、优化保压过程。采用注射温度380℃、模具温度170℃、注射压力97 MPa、注射速率55 cm3/s、保压压力90 MPa、保压时间15 s的注塑工艺参数成型的支撑架制品,成功应用于某航天器燃料贮箱中并通过了飞行考核验证,获得了良好的应用效果。

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。

纤维增强聚醚醚酮种植体在四类颌骨中的应力分析

目的研究不同颌骨类型下碳纤维增强的聚醚醚酮(carbon fiber-reinforced polyetheretherketone,CFR-PEEK)和玻璃纤维增强的聚醚醚酮(glass fiber-reinforced polyetheretherketone,GFR-PEEK)材料的种植体在口腔的应力。方法使用软件建模得到上前牙牙冠、骨块、种植体、螺丝和基台模型,进行装配后得到四类颌骨种植体模型。分别导入软件中进行力学分析,通过三维有限元分析方法,斜向加载100 N的力并记录皮质骨、松质骨、种植体的最大等效应力值。结果等效应力值对比显示CFR-PEEK、GFR-PEEK作为种植体与传统的钛材质在Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ类骨中应力超过拉伸压缩极限,Ⅱ类骨所受应力更佳。结论CFR-PEEK、GFR-PEEK材料种植体适合应用于Ⅱ类骨中。在其他骨质条件下应力过载,PEEK基复合材料需要进一步改性。

碳纤维增强聚醚醚酮股骨头假体置换术后的即刻稳定性

目的探讨碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料股骨头假体全髋关节置换术后的即刻稳定性。方法8对新鲜成人尸体股骨平均分成两组,一组行钴铬钼合金股骨头假体置换术,另一组行CF/PEEK复合材料假体置换术。用位移传感器测量骨与假体之间的微动,模拟单肢站立施加载荷(200～1000N),并记录假体在股骨髓腔内的下沉幅度、旋转角度及界面间的相对运动。结果两种假体置入后,近端微动比远端大,CF/PEEK组的近端微动比钴铬钼合金组小,两者平均相差42%;远端的微动量都较小,但两者之间差异有极显著性意义(P<0.01)。CF/PEEK复合材料组的扭转角比钴铬钼合金组小38%,差异有极显著性意义(P<0.01),前者的抗扭刚度比后者大39%以上。结论CF/PEEK复合材料股骨头假体全髋关节置换术后的即刻稳定性优于钴铬钼合金假体,证明CF/PEEK复合材料股骨头假体在初次全髋置换术中切实可行。

表面改性的碳纤维增强聚醚醚酮种植体的制备及其性能研究

目的研究氨基表面改性对不同比例的碳纤维增强聚醚醚酮种植体的理化性能和成骨性能的影响。方法通过控制碳纤维的含量制备不同比例的碳纤维增强聚醚醚酮,采用低温等离子体技术在材料表面引入氨基功能团进行改性。通过万能试验机检测材料的力学性能,扫描电镜、水接触角、X射线光电子能谱检测材料的理化性能。通过成骨细胞的黏附、增殖、碱性磷酸酶活性检测,分析氨基改性对材料的成骨性能影响。结果碳纤维的加入增强了聚醚醚酮的力学性能,且30%碳纤维增强聚醚醚酮的力学性能最佳;样品经改性后表面成功引入了氨基团,水接触角明显降低(P<0.05);成骨细胞在改性样品表面培养6h后伸展良好,有板状伪足向四周伸展,且黏附数量多于未改性样品组。在培养1、7天后,氨基改性明显促进了成骨细胞的增殖(P<0.05)。培养7天和14天后,氨基改性明显提高了成骨细胞的ALP活性(P<0.05)。结论碳纤维与聚醚醚酮结合良好,形成碳纤维增强聚醚醚酮复合材料;通过低温等离子体技术,可成功在其表面引入氨基团,显著提高了材料的亲水性能和成骨性能。

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。

基于有限元分析比较碳纤维增强聚醚醚酮复合板与钛制钢板固定胫骨中段骨折的效果

目的建立胫骨中段骨折接骨板内固定有限元模型,采用有限元分析方法比较碳纤维增强聚醚醚酮复合板(CFPEEK板)与纯钛接骨板的生物力学,为临床应用提供参考。方法选取1名健康成年男性志愿者进行胫骨CT扫描,获取数据建立胫骨有限元模型,模拟胫骨中段骨折并分别采用8孔纯钛接骨板和不同碳纤维增强比例的CF-PEEK板(CF30、CF50、CF60)进行固定。比较4种不同弹性模量接骨板内固定后在200、700 N轴向压缩载荷下接骨板受到的最大应力,骨折端的最大位移和骨皮质应力遮挡情况。结果在700 N轴向压缩载荷下,4组均在骨折断端部位出现最大应力,纯钛组为373.1 MPa,CF30组为568.2 MPa,CF50组为369.3 MPa,CF60组为369.5 MPa,仅CF30组超过了其最大抗拉强度。在轴向压缩载荷下,4组接骨板对侧骨折端的位移最大,接骨板下骨折端的位移最小。在200、700 N轴向载荷条件下,CF30接骨板下正常骨皮质的应力最大,应力遮挡率最小,CF50接骨板次之。结论与纯钛接骨板相比,CF50接骨板固定的骨折端微动更有利于骨痂形成和骨折愈合,而且CF50接骨板下骨皮的应力遮挡率最小,有利于降低接骨板下骨皮质骨量降低、骨吸收、置入物松动或内固定取出后再骨折风险。

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。