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(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。

制孔分层损伤对CF/PEEK复合材料拉伸性能和表面应变分布的影响

目的研究钻削制孔表面分层损伤与拉伸载荷下开孔碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料表面应变分布的相关性。方法通过对CF/PEEK复合材料层合板进行钻削制孔实验,分析不同进给速度对钻削温度、钻削轴向力、制孔出口表面分层和孔壁表面损伤的影响。采用数字图像相关技术(DIC)和力学实验相结合的方法,研究分层损伤程度对开孔CF/PEEK复合材料层合板拉伸性能和表面应变分布的影响。使用扫描电镜观测开孔试件的断裂形貌,分析开孔试件受拉伸载荷时的破坏模式。结果随着进给速度的增加,钻削温度降低,钻削轴向力提高,出口表面分层和孔壁损伤程度加剧。随着分层损伤程度的增加,层合板的拉伸强度呈现出降低的趋势,试件的拉伸强度从558.4 MPa降低到525.63 MPa,降低了5.87%。在中应力和高应力状态下,试件x方向的最大负应变随着分层损伤程度的增加而增加。在高应力状态下,试件y方向的最大正应变随着分层损伤程度的增加而增加。试件的断裂方式主要是基体开裂、分层和纤维撕裂,断口有纤维脱落和纤维拔出,垂直于载荷方向的纤维破坏模式为剥离破坏,与载荷方向一致的纤维破坏模式为拉伸破坏。结论钻削制孔表面分层损伤会降低开孔CF/PEEK复合材料的拉伸强度。不同分层损伤程度的开孔层合板表面应变分布表现出明显的差异性。

碳纤维改性PEEK复合材料摩擦学性能及其应用研究进展

简要介绍了国内外碳纤维(CF)改性聚醚醚酮(PEEK)复合材料摩擦磨损性能的研究进展,分析了不同因素对CF/PEEK复合材料摩擦磨损机制的影响,简述了CF/PEEK复合材料在不同领域的应用研究,最后展望了CF/PEEK复合材料在未来的研究方向。

CF/PEEK复合材料超声辅助铣削力和表面质量研究

为改善碳纤维增强聚醚醚酮复合材料(CF/PEEK)在铣削加工时所产生的毛刺、分层以及表面凹坑等缺陷,采用超声辅助铣削的加工方式分别沿0°、45°、90°、135°四种纤维方向角对CF/PEEK进行实验,并与传统铣削进行对比研究。结果表明:超声辅助铣削与传统铣削相比,切削力更小且加工质量更优。沿90°纤维方向角对试件进行超声辅助铣削,切削力、表面粗糙度和毛刺高度降幅最显著,分别降低了16.79%、28.9%和71.9%。而且在相同的加工参数下,超声辅助铣削与传统铣削相比,能够有效地改善表面凹坑、分层等表面缺陷。

激光织构化不同材料表面对润湿性能的影响

采用激光微织构加工技术分别在SAF2507双相不锈钢和碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)表面制备不同形状、面积占有率的微织构凹坑,通过润湿性试验分析时间、液滴体积、微织构形状与面积占有率、液滴种类对润湿性的影响。结果表明:液滴润湿材料表面过程中,固液接触角先随时间迅速减小,后保持在一个较为稳定的值;使用体积较大的液滴测量接触角时,液滴铺展的速度减缓,接触角的测量值变小;CF/PEEK表面的接触角随微织构面积占有率的增大而减小,SAF2507表面的接触角随微织构面积占有率的增大而增大;微织构面积占有率相同的表面,方柱形微织构表面的接触角小于圆柱形微织构表面,润湿效果更好;天然海水在光滑和织构表面的接触角均小于蒸馏水。

CF/PEEK AZ31B镁合金摆动激光焊接温度场仿真分析

为了探究摆动激光对温度场的影响,以CF/PEEK-AZ31B镁合金搭接接头为研究对象,考虑温度变化对镁合金热物性能的影响,运用COMSOL软件建立反应激光热导焊接过程的三维有限元热分析模型。通过熔池形貌对比和热循环曲线对比验证模型的可靠性,并比较分析摆动激光与非摆动激光两种焊接模式下焊件的温度分布特征,结果表明:摆动激光的摆动特性能有效降低焊件表面的峰值温度,摆动激光作用下的温度梯度更小,摆动激光能改善非摆动激光作用下界面树脂热分解这一现象。

纤维取向对TC4/PEEK/Cf层板抗高速冲击性能的影响

为研究高速冲击条件下TC4/PEEK/Cf层板破坏失效行为和机理,采用空气炮高速冲击试验探索了纤维取向对层板抗高速冲击性能的影响,并建立了误差有效控制的有限元模型。使用验证后的模型对不同变量下层板冲击试验进行算例丰富。试验和模拟结果表明:TC4/PEEK/Cf层板高速冲击下损伤模式主要是金属/复合材料界面分层、复合材料内部层间分层、金属塑性变形、复合材料撕裂断开等。通过对比不同纤维取向层板高速冲击破坏特征发现,TC4/PEEK/Cf层板抗高速冲击性能与纤维铺放角度有关。层板整体耗散冲击能量的性能随纤维交叉角度增大而提高,纤维单向铺放层板的弹道极限和能量耗散率最低,0°/90°纤维取向层板的弹道极限和能量耗散率最高,抗冲击性能最优。

连续碳纤维织物增强PEEK热塑性复合材料检测方法研究

连续碳纤维增强PEEK复合材料作为一种典型的热塑性复合材料,国内无论从基础研究、生产、加工等方面,均处于研发验证阶段。本文借助外观检测、显微分析、无损检测、层间性能等方式考察了连续碳纤维织物增强PEEK复合材料检测的可行性。多种检测手段并用,相互补充,确保制作的热塑性复合材料质量可控。使用的各种检测方法可供业界借鉴参考。

石墨烯/炭纤维/聚醚醚酮复合材料的制备及性能

使用层间喷涂法制备了石墨烯/炭纤维/聚醚醚酮(GR/CF/PEEK)复合材料,对材料微观形态、力学性能、热学以及电学性能进行了分析。结果表明,0.1 wt%的石墨烯的加入即可使复合材料的层间剪切强度(ILSS)从57.3 MPa增加到77.6 MPa,弯曲强度和弯曲模量分别从1 226.2 MPa、64.5 GPa增加到1 512.3 MPa、73.6 GPa。差示扫描量热结果证明少量石墨烯的加入能够提高复合材料基体的结晶度。同时复合材料的热导率和电导率也随着石墨烯含量的增加而增加,加入0.5 w t%的石墨烯,复合材料的热导率和电导率与未加入石墨烯相比分别增加了15.5%和73.1%。GR/CF/PEEK复合材料与CF/PEEK相比具有更优良的综合性能。

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...

不同摩擦条件对PEEK、CF/PEEK复合材料摩擦学性能及其抗静电性能的影响

采用快速热压烧结法制备了聚醚醚酮(PEEK)及碳纤维改性聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料。利用多功能摩擦磨损试验机UMT-2对所制备的纯PEEK及CF/PEEK复合材料进行摩擦性能表征,系统研究载荷和速度对PEEK及其复合材料摩擦学性能、磨损机理及抗静电性能的影响。利用三维形貌仪、扫描电子显微镜、静电测试仪等手段对材料磨损表面及摩擦静电进行分析和表征。结果表明:随着载荷的增加,PEEK和CF/PEEK达到稳定阶段的平均摩擦系数先降低后增加;PEEK和CF/PEEK复合材料表面磨损率逐渐增大,施加载荷为100N和125N时,纯PEEK材料表面磨损失效,磨损机制以粘着磨损为主向疲劳磨损为主转变。随着速度的增加,PEEK平均摩擦系数先增加后降低,CF/PEEK平均摩擦系数先略微降低后逐渐增加;PEEK和CF/PEEK复合材料表面磨损率先降低后增加;在低速条件下,磨损机理以磨粒磨损为主,高速条件下,磨粒磨损和粘着磨损共同存在。PEEK和CF/PEEK复合材料表面摩擦静电分别随着载荷、速度的增加而逐渐增加。

连续碳纤维增强聚醚醚酮预浸带成型工艺及性能

利用浸渍法制备连续碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)预浸带,对其成型温度、行进线速度进行研究,并测试了CF/PEEK预浸带的热胀系数、拉伸性能,利用SEM扫描电镜观察CF/PEEK预浸带内部界面结合状态。结果显示,预热区、熔融热压区温度分别控制在110~130℃和220~370℃,预浸带行进线速度控制在2 m/min时,制备的预浸带性能较好;在-150^+150℃范围内,CF/PEEK预浸带线胀系数为0.5×10-6/K,并随着纤维体积分数增大而减小;CF/PEEK预浸带最大拉伸强度达到1.81 GPa;SEM扫描电镜显示碳纤维与PEEK界面结合良好。研究显示,CF/PEEK预浸带制备工艺参数可行,CF/PEEK预浸带性能较好,具有工程应用价值。

海水润滑条件下316L不锈钢与仿生非光滑表面CF/PEEK的摩擦学性能

为探讨高压海水轴向柱塞泵滑靴副的减阻抗磨机理,采用数控机床在CF/PEEK试样表面加工出不同形状仿生非光滑单元体,与316L不锈钢形成配副,对其在不同法向载荷下的摩擦因数、试样温度、磨损率等进行测试,并用激光共焦显微镜及扫描电子显微镜对磨损表面进行分析。结果表明:在海水润滑条件下,光滑表面配副以磨料磨损和粘着磨损为主,摩擦因数随时间稳定在0.05~0.09,试样温升大,磨损率大;非光滑表面配副可有效存储海水和磨屑,产生动压润滑效应、降低磨料磨损,摩擦以犁沟效应为主,摩擦因数稳定在0.02~0.06,试样温升小,磨损率小;随法向载荷的增加,由粘着效应所致CF/PEEK转移加快,摩擦因数和试样温度升高,磨损率降低且下降趋势逐渐减缓。

PEEK-HA-CF复合材料的力学性能和体外生物活性

制备PEEK-HA-CF复合材料,研究了引入CF对其力学性能和体外生物活性的影响.结果表明,CF的引入显著提高了PEEK-HA-CF的强度和模量,且其强度和模量在一定范围内具有更大的可设计性,能够在较宽的范围内满足与人体承力骨力学性能的良好匹配;PEEK-HA-CF复合材料具有良好的生物活性.

聚醚醚酮/羟基磷灰石/碳纤维复合材料的生物力学分析

目的利用有限元分析法比较聚醚醚酮/羟基磷灰石/碳纤维复合材料（75PEEK/10HA/15CF）与钛合金的生物力学。方法建立C4～C6有限元模型,于C5～C6间植入75PEEK/10HA/15CF或钛合金人工椎间盘和椎间融合器,计算在前屈、后伸、侧弯和旋转时临近椎体、椎间盘的wonMises应力变化和C5～C6节段的活动度及植入物上的应力分布。结果在正常情况下,钛合金人工椎间盘置换模型在前屈时C5椎体、C4~5椎间盘平均won Mises应力改变率分别为75PEEK/10HA/15CF人工椎间盘模型的1.50倍和1.67倍;在侧弯时C6椎体的平均won Mises应力改变率为75PEEK/10HA/15CF人工椎间盘置换模型的1.33倍。融合器模型,在前屈时C5椎体、C4~5椎间盘应力改变率前者为后者的1.48倍和1.87倍;在侧弯时C6椎体应力改变率,前者为后者的1.67倍。钛合金植入物的最大应力为75PEEK/10HA/15CF的4.5倍,并出现应力集中。结论与钛合金相比,75PEEK/10HA/15CF能更好地将负荷传递,增加融合率,能有效地减少临近椎体的应力,减少植入物沉降的发生。

PEEK碳纤维增强复合材料的动态力学行为

ＰＥＥＫ碳纤维增强复合材料的动态力学行为李健（中国科学院固体物理研究所合肥２３００３１）章明秋，徐建军（中山大学材料科学研究所广州）（青岛化工学院青岛）关键词ＰＥＥＫ，碳纤维复合材料，内耗，Ｔｇ热塑性、耐高温的工程塑料聚醚醚酮（ＰＥＥＫ）是一种半晶聚...

导能筋形状对超声波焊接CF/PEEK接头组织和力学性能的影响

通过超声波焊接方法实现碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)试件的连接,重点研究了导能筋形状对接头组织和力学性能的影响.结果表明,当使用矩形和三角形导能筋时,由于导能筋的粘弹性变形大,界面的升温速率快,且界面温度高,接头的热影响区(HAZ)较大,在热影响区由于碳纤维和树脂界面有较大的热应力,容易产生裂纹等缺陷,液态树脂流动方式很容易造成气孔缺陷,接头的力学性能较差.使用平面导能筋,当超声作用时间为0.9s时,界面形成了良好的连接,液态树脂流动方式优于三角形和矩形导能筋,接头中不会出现气孔缺陷,接头的抗剪强度可以达到28MPa.

连续CF/PEEK预浸料制造技术研究进展

适合连续碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)预浸料的制造技术有熔融浸渍、粉末悬浮和混编模压,对各技术优缺点进行分析。通过总结各技术的发展现状,提出了熔融浸渍技术发展热点为浸渍模具的改进方法,粉末悬浮技术发展热点为分散系的改进,混编模压技术发展热点为碳纤维与树脂纤维的编织方式。