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专题论述

碳纤维增强PEEK复合材料应用领域简析

发布时间:2024/6/18 9:37:56 来源: 云奇新材料

聚醚醚酮(PEEK)是一种高性能的全芳香族半结晶热塑性工程塑料,因其高强度、耐腐蚀、耐摩擦、耐辐射、绝缘性好、加工性良好等优势,被广泛应用于工业、人形机器人、航空航天等诸多领域。

轻质高强是新材料发展的永恒主题。由于纯PEEK树脂脆性大、剪切性能不佳、且使用温度较低,在某些高端应用中还不能完全满足需求。碳纤维(CF)作为一种理想的复合材料增强体,与聚醚醚酮结合制成的高性能复合材料,可以显著提升PEEK树脂的力学性能和使用温度,从而拓宽PEEK的应用领域。

由此,一种新型材料——碳纤维增强的PEEK复合材料应运而生。这种复合材料由短碳纤维(SCF)、长碳纤维(LCF)和连续碳纤维(CCF)或织物形式增强PEEK树脂基的复合材料。CF/PEEK复合材料继承了PEEK和碳纤维的诸多优点。

CF/PEEK 主要应用领域

01航空领域

碳纤维增强的聚醚醚酮复合材料因其轻质、高强度和耐高温等特性,被广泛应用于飞机的平衡装置和发动机部件。例如,波音757-200系列飞机使用的整流罩以及其它易于流动而较快成型的较大部件;美国战机F-5E、F-5F、T38和V22的起落架门以及F35的发动机检查口盖都采用了CF/PEEK复合材料。研究人员在F-5F和T38上对CF/PEEK复合材料与CF/双马树脂复合材料进行了对比飞行试验,结果显示,以PEEK为树脂基体的复合材料制件具有更强的抗分层能力和更少的缺陷数量。

此外,作为热塑性塑料的PEEK树脂赋予了CF/PEEK复合材料易维修的特点。在F35发动机检查口盖的应用中,当CF/PEEK复合材料制件有轻微缺陷时,进行简单的加热就可恢复使用。而在小承力或小规模制件方面,基于PEEK树脂基体耐高温的特点,阵风战机的发动机周围机身蒙皮和C130的机身腹壁板都使用了CF/PEEK复合材料。

02人形机器人领域

碳纤维增强PEEK高性能热塑性复合材料正逐渐成为未来人形机器人的核心材料。通过碳纤维的增强作用,可以显著提升PEEK材料的机械强度、耐摩擦和抗磨损性能,使其更加适用于机器人的机械臂、关节连杆、齿轮轴承等关键部位。

03工业领域

连续碳纤维增强PEEK复合材料凭借其耐高温性能及尺寸稳定性,被广泛应用于制造装置的阀座材料、孔连接器、密封环等部件。

04电子电器领域

碳纤维增强的PEEK复合材料即使在高温、高压和高湿度等恶劣环境下,也能保持出色的电绝缘性,并在广泛的温度范围内维持稳定的形态,因此被视为理想的电绝缘材料,可用于制造真空吸盘、半导体制造领域的IC晶圆承载器及IC测试座等组件。

05汽车制造领域

PEEK/CF复合材料展现出作为金属替代塑料的潜力。早在2021年,Solvay公司推出了一种名为KetaSpire PEEK KT-850 SCF 30的新型材料,专为电动汽车的精密制动系统和电子泵部件服务。这种产品的开发提供了比标准的30%碳纤维填充的PEEK级别更好的密封性能。此外,博世集团等公司采用PEEK/CF替代金属作为ABS的功能部件,更轻的材料降低了转动惯量,提高了整个系统的反应性能。

06医疗领域

碳纤维增强的PEEK复合材料可用于制造骨科植入物、脊柱融合器、椎体间融合装置和骨固定板等,与金属植入物相比具有更优异的机械性能、耐磨性、耐化学性、良好的生物相容性、接近人体骨骼的弹性模量等优势。全球知名的生产企业有赢创、Invibio、帝人、Icotec、威格斯和索尔维等,其中Invibio是世界上首家推出医疗级短纤增强PEEK复合材料的企业。

然而,CF/PEEK的生产技术仍亟待突破。目前,CF/PEEK的生产技术主要由日本东丽、英国威格斯等少数公司掌握,并主要应用于航空航天等尖端领域。国内的研发主要集中在高校、科研院所和极少数企业中。国外的核心制造技术及相关设备都受到严格保密,对中国实施了严格的封锁政策。国内大多数CF/PEEK产品,如预浸带、预浸板等,多依赖进口,数量无法满足需求,应用成本较高,这极大地限制了国内市场对此类产品的广泛应用。




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