PEEK-纤维复合材料

1、PEEK/纤维复合材料聚合物增强对PEEK力学性能和结晶性能提高比较明显，无机粉体对PEEK的耐磨性提高明显，但是单一的增强相不能同时提高PEEK的结晶性能和耐磨性，且由于复合材料两相之间界面问题使PEEK复合材料的抗弯曲性能比较差。纤维增强聚合物既可以提高材料的力学性能，又可以提高材料的摩擦学性能。近年来，随着航空航天领域的不断发展，材料的轻量化得到了越来越多的重视，而纤维增强聚合物由于其超高的强度/密度比得到了广泛的应用。纤维增强PEEK的研究在近年来受到了许多科学家的关注。目前，用于增强相的纤维主要包括：碳纳米管(CNT)、玻璃纤维(GF) 、碳纤维(CF)等。GF由于具有耐高温、耐化学

2、腐蚀性以及拉伸强度强、冲击强度高、断裂伸长率小和绝缘性好等特点，使其成为纤维增强复合材料中应用最为广泛的增强相。X.X. Chu等使用注射成型方法制备了GF体积分数为30vt.%的GF/PEEK复合材料，并在20K、70K和室温对其力学性能和热膨胀系数进行了研究。力学实验结果表明，GF/PEEK复合材料在低温条件下有着更高的抗拉强度、拉伸模量、弯曲模量和冲击强度，而材料的延伸率和挠度却随着试验温度的升高而变大即材料在高温时的延展性更好。热膨胀系数实验表明，温度对材料的热膨胀系数的影响比较小，但是GF的加入却使基体材料的热膨胀系数由46.5×10-6K-1减小到14.4×10

3、-6K-1。M. Sumer等研究了在不同摩擦条件下PEEK和30vt.%GF/PEEK两种材料的干摩擦性能和水润滑摩擦性能。研究结果发现，两种材料的磨损速率随着实验载荷和摩擦速度的变大而变大，而摩擦系数随着载荷的变大而变大、随摩擦速度的变大而减小。此外，在试验载荷与摩擦速度相同的条件下，干摩擦的摩擦系数和磨损速率都比水润滑摩擦的大，说明在水润滑条件下材料的摩擦性能更好。在研究GF对材料耐磨性影响时发现，GF能够极大的提高材料的耐磨性，特别是在干摩擦试验下这种改善作用更加显著。相对于传统纤维材料而言，碳纳米管CNT 具有尺度小、比表面积大、长径比高、力学性能好等优势, CNT 作为增强相主要集

4、中在改善聚合物力学性能和改进聚合物电学性能两个方面。Changru Rong等通过熔融共混方式制备了碳纳米管和非共价功能化碳纳米管(f-CNTs)增强PEEK两种复合材料，并对比研究了两种CNT对材料机械性能和结晶度的影响。拉伸试验结果表明，两种CNT的加入都能提高PEEK材料的机械性能，且f-CNT对材料机械性能的提高更明显；DSC分析表明，CNT的加入由于促进聚合物的均匀形核而提高了PEEK的结晶度，材料的结晶温度Tc提高了8°C；但是f-CNT对材料结晶度的影响却存在双向性：f-CNT量较低时f-CNT量的增加促进PEEK的结晶过程，f-CNT量达到一定值以后f-CNT量的增加

5、会抑制PEEK的结晶过程。这主要是由于f-CNT量较低时，f-CNT促进聚合物的均匀形核而促进结晶过程；而f-CNT量较高时，f-CNT阻碍了PEEK分子量的流动且f-CNT和PEEK界面的相互作用都抑制了PEEK的结晶过程。M. Mohiuddin等通过挤压成型技术制备了CNT含量不同的、直径为25.4mm、厚度为1.4mm的CNT/PEEK复合材料圆片，并研究了材料的导电性与温度之间的关系。结果表明，材料的导电性随着温度的升高而提高，但是导电性提高的幅度与CNT含量有着密切的关系，因为CNT含量的增加增大了CNT相互接触的可能，减小了CNT间绝缘PEEK的厚度，从而提高了复合材料的导电性。

6、CF作为先进纤维增强复合材料中最重要的增强相，具有高比强度，高比模量，耐高温，耐腐蚀，耐疲劳，抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能。CF增强PEEK既可以改善PEEK的结晶性能又能够提高PEEK的机械性能。B. D. Hachmi等对比研究了CF/PEEK复合材料和PEEK树脂在不同冷却速度(0.5°C/min-160°C/min)下的结晶动力学。研究发现，两种材料的结晶机理在冷却速度为5°C/min和40°C/min时发生了两次转变，虽然CF的加入对材料的结晶温度和速率都有影响，但不会改变材料的结晶机理。为了扩大PEEK的应用范围，需要对其

7、机械性能特别是摩擦磨损性能进行深入的研究，对材料的机械性能的研究需要从材料的组织结构入手。为了研究碳纤维类型对CF/PEEK复合材料性能的影响，作者J. Flöck等研究了聚丙烯睛碳纤维(PAN-CF)和沥青碳纤维(p-CF)两种碳纤维增强的PEEK在不同试验条件下的摩擦磨损性能。结果表明，不同试验条件下两种复合材料的耐磨性都比PEEK树脂好，且耐磨性的最佳值都出现在碳纤维质量分数为10%时。由于沥青碳纤维的直径更大、机械性能更差所以两种复合材料的摩擦性能也存在差异。经研究发现，虽然p-CF/PEEK复合材料在大载荷时摩擦性能比PAN-CF/PEEK复合材料差，但是在高速摩擦时p-C

8、F/PEEK却表现出了更为优异的摩擦性能。为了研究碳纤维取向对复合材料性能的影响，Z. Rasheva等制备了以石墨和PTFE为润滑剂、短碳纤维为增强相的G/PTFE/CF/PEEK复合材料，并研究了复合材料的机械性能、耐磨性与CF取向之间的关系。当润滑剂含量为20 vol%、CF量为10 vol%时，复合材料的摩擦性能和力学性能都与CF的取向有关，但是材料摩擦性能在垂直纤维取向上表现出更好，而力学性能则在平行纤维取向上更优；当润滑剂含量降低、增强相含量增加时，材料在垂直纤维取向耐磨性下降而平行纤维取向上的力学性能提高，这主要是因为低含量的润滑剂使得转化膜难以形成，而高含量的CF增强了PEEK

9、。除了材料的内部结构以外，耐磨性还和试验条件有关。不同的试验温度下材料的耐磨性存在着差异。J. Hanchi为了研究高温条件下CF/PEEK复合材料的摩擦磨损性能，在20°C -250°C温度范围对材料进行摩擦磨损试验。试验发现，复合材料的摩擦磨损机理在材料的玻璃砖化温度Tg上发生变化。在温度低于Tg时，CF/PEEK的摩擦系数大于纯PEEK的，这主要是因为CF/PEEK复合材料的粘着磨损与碳纤维的断裂产生的磨粒磨损综合作用；当温度高于Tg温度时，CF/PEEK复合材料摩擦磨损性能优于PEEK，其主要有两个原因：首先， CF的增强作用能够有效的抵消材料由于玻璃化的软化作用；

10、其次，摩擦过程中生产的层状磨削覆盖摩擦划痕有效的保护了摩擦面。在不同的润滑剂作用下材料的摩擦磨损性能也存在着一定的差异，Beibei Chen等对比研究了在以海水和纯净水为润滑剂时CF/PEEK复合材料摩擦磨损性能。研究发现，CF/PEEK复合材料的耐磨性比纯PEEK的好，且相对于干摩擦而言，在水的润滑作用下材料的耐磨性能得到了显著的提高，特别是在CF含量在10vt%时，复合材料在海水和纯净水润滑时的磨损速率分别是干摩擦的1/4和1/40。CF/PEEK复合材料有更好的耐磨性是因为材料中暴露在摩擦表面的CF能够分担试验载荷，有效延缓了材料的磨损；而CF/PEEK复合材料在海水润滑时表现出的优异耐磨性是因为海水中的Ca+和Mg+起到可更好的润滑作用。与其他增强相增强PEEK相比，CF增强PEEK具有更优异的拉伸性能、抗弯曲性能、耐湿热以及耐高温性能，所以CF增强PEEK在航空航天领域得到了更广泛的应用。因此，本实验选用30%CF增强的PEEK为研究对象。虽然使用30%CF对PEEK进行改性处理，能够使PEEK具有一定的导电性，但是其导电率依然很低，对电磁波没有屏蔽作用。在非导体表面沉积上一