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。

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/聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料摩擦磨损性能及抗摩擦静电特性研究

利用真空热压烧结技术制备了不同碳纤含量的碳纤维/聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料,采用热导率分析仪和热重测试仪对材料的热学性能进行表征,并利用多功能摩擦磨损试验机、三维形貌轮廓仪、扫描电子显微镜和摩擦静电计对材料的摩擦磨损性能和抗摩擦静电性能进行分析。分析结果表明:随着CF添加量的增加,复合材料摩擦因数、磨损率和摩擦静电电压先降低后升高,当CF添加量(质量分数)为20%时,摩擦因数、磨损率和摩擦静电电压达到最低,分别为0.247、5.6×10^(-6)mm/(N·m)和3.3 V,证明此种方法制备的20%CF/PEEK材料具有优异的摩擦磨损性能和抗静电性能。CF/PEEK复合材料磨损机理以黏着磨损为主,并且伴随着轻微的磨粒磨损。

碳纤维增强的聚醚醚酮复合材料椎体间植入的实验研究

目的 :研究碳纤维增强的聚醚醚酮复合材料 (CFR/PEEK)椎间植入后 ,在骨组织内的生物相容性及在椎间融合术中的作用。方法 :选取 13只 Beagle狗 ,分为 2组。实验组 7只狗 L6～ 7椎间植入盘状带孔 CFR/PEEK;对照组 6只狗 ,相同位置植入环氧乙烷处理的冷冻异体骨。分别于术后 6、12和 2 4个月行 X线片、螺旋 CT(QCT)扫描及病理检查。结果 :X线、QCT及病理检查三者对椎间融合判断的符合率为 10 0 %。术后 12个月 ,实验组的融合率高于对照组 ;术后 2 4个月 ,两组均全部融合。病理检查显示复合材料前方的软组织为非特异性的纤维结缔组织 ,碳微粒见于其周围组织内 ,细小微粒被异物巨细胞吞噬。骨磨片显示新骨组织长入复合材料的小孔内 ,碳微粒对骨组织无明显影响。 结论 :CFR/PEEK对骨组织有良好的相容性。

碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备与性能

通过高温模压方法,制备了碳纤维/聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料。采用差示扫描量热、热失重、弯曲测试、拉伸测试、扫描电子显微镜等分析方法对制品热学性能和力学性能进行了分析。分析结果表明,制备CF/PEEK复合材料的最佳工艺参数为:成型温度380℃~390℃,停留时间30 min,保温保压30 min、2 MPa^3 MPa,后期保压压力4 MPa^5MPa,保压时间3 h。复合材料制品弯曲强度达到1783 MPa,分解温度达578℃,表明其具有优良的力学性能和热稳定性。

短碳纤维增强注塑聚醚醚酮复合材料微观结构与力学性能研究

实验结果表明 :短碳纤维增强注塑聚醚醚酮 (CF/ PEEK)注塑板材中存在“皮 -芯”次层微结构 ,用金相显微镜可以表征 CF取向度不同的皮层和芯层的厚度 ,整板材料的力学性能可以根据皮层及芯层的厚度及其强度按“混合规则”计算。 DSC法及热烘箱法研究表明 ,碳纤维取向结构和

碳纤维增强聚醚醚酮复合材料滑动摩擦转移膜的ESCA研究

碳纤维增强聚醚醚酮在滑动时形成的转移膜对其摩擦学性能有重要影响，本文对此转移膜进行了Ｘ射线光电子能谱化学分析（ＥＳＣＡ）。表明，与纯聚醚醚酮和聚醚醚酮＋聚四氟乙烯相比，碳纤维增强聚醚醚酮形成的转移膜最薄，连续性与均匀性最好，因此其摩擦学性能最好。转移膜的成份沿着其深度方向发生变化，表明此膜中石墨和聚四氟乙烯存在着优先转移。在这一研究的基础上，本文对滑动摩擦转移膜的形成提出粘着转移机制。

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。

短碳纤维增强聚醚醚酮为全髋假体材料的生物相容性及力学性能

背景:聚醚酮类聚合物具有良好的生物相容性,但在玻璃化转变温度后其模量、力学强度下降严重,不能为骨骼生长提供一个稳定的环境。目的:评价短碳纤维增强聚醚醚酮作为全髋假体材料的生物相容性及生物力学性能。方法:以MTT法、溶血试验、急性全身毒性试验、热原试验评价短碳纤维增强聚醚醚酮浸提液的体外生物相容性;将短碳纤维增强聚醚醚酮接骨板植入兔体内,观察骨板周围包膜形成情况和一般组织情况;对短碳纤维增强聚醚醚酮试件行应力测试。结果与结论:短碳纤维增强聚醚醚酮材料的细胞相对存活率大于75%,溶血率小于5%,说明其血液相容性较好;植入兔肌肉内未引起明显炎症反应,早期有少量淋巴细胞聚集,植入体为纤维组织包裹,随着时间的延长,淋巴细胞逐渐减少直至消失,纤维包膜逐渐稳定,周围肌肉组织始终保持正常结构,表明短碳纤维增强聚醚醚酮材料无任何毒性,组织相容性好。应力测试显示短碳纤维增强聚醚醚酮材料符合人体髋关节的生物力学强度需要。

国外连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料研究进展

聚醚醚酮由于其优异的耐化学腐蚀性、耐高温性和良好的机械性能,被誉为"工程塑料综合性能之王",是首选的热塑性复合材料的优质基体。高性能聚醚醚酮与强性能碳纤维的"高强联合",而制得高强度、高模量、低密度的高性能连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料(CCF/PEEK),为实现以塑代钢从根本上解决某些工程问题提供了高性能的材料。该文针对近年来国际CCF/PEEK复合材料研究前沿与热点,总结阐述CCF/PEEK复合材料的制备工艺、结构与性能的研究进展。

连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备及力学性能

采用自主研发的连续碳纤维/聚醚醚酮热熔法预浸料(HC2110),通过热压成型工艺制备了复合材料层合板。测试了复合材料的力学性能,表征了微观形貌和破坏模式。预浸料热性能测试表明,HC2110预浸料较国外材料(TC1200)的耐热性及成型工艺性较优。微观形貌分析表明,复合材料层合板中纤维分布均匀性对0°拉伸性能影响较小;而纤维和树脂的界面结合较差是导致90°拉伸强度明显偏低的主要原因。

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/聚醚醚酮复合材料界面的强相互作用

利用X光电子能谱和Raman光谱研究了碳纤维／聚醚醚酮复合材料的界面结构，揭示了纤维和聚合物间存在着强相互作用；对树脂涂覆碳纤维结构的研究表明，聚合物的熔融促进这种强相互作用的形成，该作用涉及醚醚酮链段向共面构象的转变对复合材料界面的Raman散射分析证明。

用Raman光谱研究碳纤维/聚醚醚酮复合材料的界面结构

用Ｒａｍａｎ光谱研究碳纤维／聚醚醚酮复合材料的界面结构李铁骑章明秋曾汉民（中山大学材料科学研究所聚合物复合材料及功能材料国家教委开放研究实验室广州５１０２７５）关键词界面结构，Ｒａｍａｎ光谱，碳纤维／聚醚醚酮复合材料随着近年来热塑性聚合物的加工...

聚醚醚酮(PEEK)及其碳纤维复合材料的热分解动力学研究

一、前言聚醚醚酮(PEEK)树脂是一种新型高性能热塑性聚合物。PEEK的链结构为由于它的主链上主要由苯环组成,因而PEEK树脂具有优异的耐热性,能在200℃下长期使用。此外,PEEK树脂还具有优异的力学性能、抗化学溶剂侵蚀性能和抗高能辐射性能等。因而PEEK树脂可望取代热固性树脂作为高性能复合材料的基体材料。如英国帝国化学工业(ICI)公司发展的芳香聚合物复合材料(APC)就是以PEEK为基体的高性能连续碳纤维复合材料。

热历史对聚醚醚酮及其碳纤维复合材料——Ⅱ.熔融行为的影响

本文利用差示扫描量热仪(DSC)研究了聚醚醚酮(PEEK)和以PEEK为基体的碳纤维复合材料(APC-2)的热历史对它们熔融行为的影响。在200—315℃结晶并退火热处理后,试样的DSC曲线上出现了两个吸热峰。低温吸热峰(峰温T′_m)较小,并与结晶和退火温度(T_c)有关;高温吸热峰(峰温T_m)较大,几乎不受T_n的影响。T′_m的出现与在不同T_c下生成的不完整晶体的熔融和重结晶过程有关,而T_m的出现则与完整晶体的熔融过程有关。实验结果表明,T′_m与T_c之间呈线性关系。按文献报道的方法,将T′_m与T_c的直线外推至与T′_m=T_c直线相交,其交点温度即为平衡熔点.结果表明,PEEK和APC-2试样的“平衡熔点”受不同热历史条件下生成晶体的完整程度的影响。当结晶并退火时间越长,求出的“平衡熔点”值越低,并与理论值接近。实验结果还表明,碳纤维表面具有促进PEEK树脂基体晶体完整化的作用,因而导致APC-2试样中PEEK树脂基体的熔点高于纯PEEK树脂。

聚醚醚酮/碳纤维复合材料的界面结构以及结晶形态的研究

本文采用扫描电子显微镜观察经氩等离子刻蚀后PEEK/碳纤维复合材料的界面层结构和PEEK树脂的结晶形态。无论是从熔体还是从橡胶体结晶,PEEK树脂的结晶都是从碳纤维表面诱导开始,最后形成横穿晶体结构。在高碳纤维含量的复合材料中,PEEK的球晶尺寸主要由碳纤维之间的距离控制,受温度的影响较小。在PEEK/碳纤维复合材料的结晶过程中,第一片晶片在碳纤维表面取向生长方式为:晶体的ā轴(厚度方向)平行于维纤径 向。b轴(晶片生长方向)与纤维最小圆截面的切线重合,(?)轴(垂直晶片平面的方向)平行于纤维轴向。由于球晶成核过程是取向生长,因而生成的球晶也按一定的方式取向。

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。

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。

聚醚醚酮-羟基磷灰石-碳纤维复合材料的生物相容性研究

目的对聚醚醚酮(PEEK)-羟基磷灰石(HA)-碳纤维(CF)复合材料的生物相容性进行评价。方法应用注塑法制备不同质量分数的PEEK-HA-CF复合材料,选择70PEEK-20HA-10CF复合材料(PEEK、HA、CF质量分数分别为70%、20%、10%)为实验组,75PEEK-05HA-20CF复合材料(PEEK、HA、CF质量分数分别为75%、5%、20%)为阳性对照组,70PEEK-30CF(PEEK、CF质量分数分别为70%、30%)为阴性对照组。从新生SD大鼠颅盖骨提取原代成骨细胞,培养至第2代,用于实验。测定不同质量分数的PEEK-HA-CF复合材料的黏附性、增殖能力、细胞形态及相关碱性磷酸酶(ALP)、Ⅰ型胶原(COL-Ⅰ)、骨钙素(OCN)mRNA含量,评价复合材料的生物相容性。结果荧光显微镜下CF和HA均匀分布在PEEK中。与对照组相比,各组细胞黏附性差异无统计学意义(P> 0.05);实验组第5天、第7天光密度(OD)分别为1.88±0.08、2.83±0.15,阳性对照组第5天、第7天OD值为1.55±0.09、2.56±0.12,阴性对照组第3天、第5天OD值分别为1.47±0.03、2.46±0.06;实验组增殖力明显高于对照组(P <0.05)。ALP mRNA、COL-ⅠmRNA含量在第14天时达到高峰;在第5、7天时,实验组高于对照组(P <0.05),而两对照组间差异无统计学意义(P> 0.05);第14天时,实验组ALP mRNA、COL-ⅠmRNA含量高于对照组(P <0.05),且阳性对照组高于阴性对照组(P <0.05),而3组间OCN mRNA表达差异无统计学意义(P> 0.05)。扫描电子显微镜观察发现,细胞在复合材料上生长良好,并随着时间的延长,细胞在材料表面达到融合,形成矿化颗粒。结论 PEEK-HA-CF复合材料具有良好的生物相容性和生物活性。