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.

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。

水液压柱塞泵滑靴球窝副收口工艺与效果分析

滑靴球窝副是水液压柱塞泵连接柱塞和滑靴的关键摩擦副,其收口质量直接影响泵的可靠性和寿命。针对由金属基体包覆塑性材料碳纤维增强聚醚醚酮(CFRPEEK)耐磨层组成的滑靴球窝副收口部位松动的问题,对模压收口和直接注塑收口两种成型工艺进行了研究,分析了不同成型工艺滑靴球窝副的收口效果。首先,建立了滑靴球窝副的有限元模型;然后,运用仿真软件ANSYS对柱塞滑靴的收口及拉脱过程进行了模拟仿真,研究了滑靴收口部位的等效应力和应变的变化,对比分析了316L和17-4PH两种滑靴基体材料以及两种收口成型工艺对拉脱力的影响情况;最后,将两种收口成型工艺的柱塞滑靴组件分别安装在水液压泵内,并进行了运行试验,结合测试结果对仿真结果进行了验证。研究结果表明:与模压收口成型工艺相比,采用直接注塑收口工艺的滑靴球窝副从根本上消除了残余应力,相同结构下,其拉脱力增大了20.29%;长时间运行后其收口效果良好,未出现明显的轴向间隙。

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。

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。

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°。

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。

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。

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。

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。

水润滑条件下氧化锆颗粒及碳纤维共混增强聚醚醚酮复合材料的摩擦性能研究

通过熔融共混法制备了碳纤维(CF)和氧化锆颗粒(ZrO_2)共混增强聚醚醚酮(PEEK)复合材料,并对其水中的摩擦学性能进行了研究。实验结果表明,该混杂增强复合材料在水中具有优异的摩擦学性能,其摩擦系数随载荷的增加无明显变化,而磨损率则随着载荷的增加而逐渐降低。该材料在水中的磨损机制主要表现为轻微的磨粒磨损和疲劳磨损,碳纤维是复合材料耐磨性得到增强的主要原因,其作为复合材料摩擦面表层的主要承载相,承担了两摩擦面之间的大部分载荷,并保护聚合物基体免于受到对磨副的严重磨损。氧化锆颗粒的加入则有效抑制了摩擦过程中碳纤维的破损与脱落,从而使得混杂增强PEEK复合材料比单纯碳纤维增强的PEEK复合材料具有更加优异的耐磨性能。但过多颗粒的加入会加剧疲劳磨损,从而降低材料的耐磨性。

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。

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。