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连续碳纤维赋能PEEK:重塑材料性能边界

发表时间:2024-05-25 14:16:57  作者:碳纤维作者小赵 阅读数:108

  在当今社会,面对日益严峻的能源危机和环境压力,轻质高强度材料的开发显得尤为重要,它们是应对多领域挑战的关键。聚合物基复合材料凭借其优越的比强度优势,实现了快速发展,众多的性能指标上已超越传统金属和无机材料。聚醚醚酮(PEEK),以其低密度、高强度、高耐磨和出色的热稳定性,成为高强度应用领域的佼佼者,自1978年由英国帝国化学工业公司首次合成以来,PEEK已在航空航天、医疗等多个尖端领域大放异彩。其独特的分子结构,包含亚苯基环和氧桥及羰基链节,赋予了材料刚性与柔性的完美平衡,既保证了优异的力学性能,又便于加工成型。

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  然而,PEEK的潜能远不止于此,尤其当它与连续碳纤维结合后,性能提升至新的高度。连续碳纤维增强PEEK复合材料不仅在导热系数上实现显著飞跃,相较于纯PEEK材料,增强后的导热性能几乎翻番,这得益于碳纤维对材料热传导效率的有效改善。

  在强度表现上,连续碳纤维的加入更是让PEEK如虎添翼。通过采用最新技术生产的CFPEEK单向带,进行0°/90°的铺层设计,实验证明,这种复合材料即使在室温下,拉伸强度和弯曲强度均突破1000 MPa大关,在200℃及300℃高温环境下,其性能依然强劲,拉伸强度分别保持在810±10 MPa以上,弯曲强度在521±12 MPa至290±18 MPa之间。尤为值得注意的是,在300℃高温条件下,该材料比强度高达290 MPa/(g/cm³),远超镁或铝合金的18-86 MPa/(g/cm³),凸显其在极端环境下的卓越承载能力。

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  耐磨损性也是连续碳纤维PEEK复合材料的一大亮点。在200℃时,无论是纯PEEK还是增强型,磨损机制相似,但当温度升至更高,纯PEEK磨损加剧,而CFPEEK复合材料却展现出更低的磨损率,仅为(5.47-12.80×10⁻⁷mm³/Nm),接近或优于某些含润滑剂材料。这种优异耐磨性得益于90°碳纤维的高含量布局、纤维与基体间优异的界面结合以及纤维和PEEK颗粒的自润滑效应,确保了复合材料在高温环境下的稳定性和可靠性,这也是其备受航空航天领域青睐的重要原因。

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  对比短切碳纤维增强PEEK,连续碳纤维能够更有效地提升材料力学性能,避免了短切纤维因随机分布导致的拉伸强度提升受限。在国内,虽然中研股份、吉大等企业在PEEK生产上有所建树,但在连续碳纤维增强PEEK复合材料的规模化生产方面,如智上新材料科技,采用熔融浸渍工艺,不仅实现了材料的连续生产,更在35%-45%PEEK树脂含量范围内优化了配方,确保了碳丝的均匀分布和良好的界面黏附性,满足了高端市场需求,与国际品牌如索尔维、威格斯、赢创等的竞争中逐渐缩小差距。

  连续碳纤维的加入,不仅拓宽了PEEK的应用边界,更是在性能上实现了质的飞跃,预示着材料科学在轻量化、高强度时代的又一重大进步。

  本文部分数据引用:doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.115837

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