國外連續碳纖維增強聚醚醚酮復合材料研究進展

胡加卓+許治平+欒加雙

摘 要：聚醚醚酮由于其優異的耐化學腐蝕性、耐高溫性和良好的機械性能，被譽為“工程塑料綜合性能之王”，是首選的熱塑性復合材料的優質基體。高性能聚醚醚酮與強性能碳纖維的“高強聯合”，而制得高強度、高模量、低密度的高性能連續碳纖維增強聚醚醚酮復合材料（CCF/PEEK），為實現以塑代鋼從根本上解決某些工程問題提供了高性能的材料。該文針對近年來國際CCF/PEEK復合材料研究前沿與熱點，總結闡述CCF/PEEK復合材料的制備工藝、結構與性能的研究進展。

關鍵詞：聚醚醚酮 連續碳纖維 復合材料 應用

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（c）-0091-04

Abstract： Poly（ether ether ketone）is known as"the king of engineering plastics comprehensive performance"owing to the excellent mechanical performance， good thermal stability， and chemical resistance， and so on. its high quality of thermoplastic composites matrix is preferred. It is"High-Super joint"between High performance PEEK and Super performance of carbon fiber， and high strength， high modulus， low density continuous carbon fiber reinforced high performance Poly（ether ether ketone）（CCF/PEEK） composites were made. This can supply high performance plastic instead of steel to fundamentally solve some engineering problems. This paper reviewed research frontier and hot spots of the CCF/PEEK composites in recent years， and summed up the preparation technology， structures properties and application of CCF/PEEK composites.

Key Words： Poly（ether ether ketone）； Continuous carbon fiber； Composites； Application

由于高性能碳纖維（CF）的加入，使連續碳纖維（CCF）增強熱塑性復合材料，在重量降低的前提下還具有超高的強度和模量。而熱塑性基體的加入，使復合材料具有更高的韌性以及更短的加工時間。尤其是聚醚醚酮（PEEK）作為熱塑性基體，由于其優異的抗溶劑性、耐摩擦性能和獨特的生物相容性，使得連續纖維增強聚醚醚酮復合材料能夠被廣泛地應用于航空航天、汽車、醫療等領域。

1 微觀結構

對于連續碳纖維增強聚醚醚酮復合材料的大量研究都是基于預浸帶方法來制備復合材料，典型代表就是ICI公司的APC系列產品。尤其是對APC-2（CCF/PEEK）的研究最多，主要集中于加工、微觀結構和性能之間的關系。而對于非預浸體系制備的CCF/PEEK復合材料的研究相對較少，這主要是由于非預浸體系相對較差的基體滲透性，因此對于非預浸體系，很多研究工作集中于加工、固化質量和性能之間的關系。

Lustiger等[1]通過DSC研究了處理條件對來自APC-2預浸料的復合材料的形態的影響。結果表明，根據ICI工序，低壓和物理老化條件制備的板存在兩種不同的晶體形態或熔融和重結晶。Lustiger等[1]還通過等離子體蝕刻和掃描電子顯微鏡研究了各種冷卻速率下的球晶形態。從圖1和圖2可以觀察到，較快的冷卻板通常顯示孤立的碳纖維成核球晶，而緩慢冷卻的條件下顯示出更大的纖維成核球晶。

Blundell等人[2]研究了通過高錳酸蝕刻技術在APC-2/AS4復合材料內部形成的PEEK基體中的晶體球晶生長習性和成核過程（圖3）。

2 力學性能

Jen等人[3]研究了無缺口和缺口交叉層和準各向同性APC-2層壓板在高溫下的機械性能。發現隨著溫度的增加，兩種層壓板的抗拉強度和模量在不同程度下降。而對于缺口的試樣，隨著孔直徑的增加，兩個疊層的極限強度嚴重降低。

Leeser和Leach[4]發現了這些失效模式：歐拉屈曲、纖維剪切、縱向分裂、分層、纖維微屈曲和剪切劈裂。多種失效機理的組合導致在不同測試條件下復合材料的抗壓強度的差異。對于具有61%的高強度碳纖維體積含量的CCF/PEEK復合材料，由Lee[5]測量的壓縮強度范圍為1 100～1 400 MPa。表1列出了具有不同計量距離的復合材料的抗壓強度測量值。隨著標距長度的減少，對應的抗壓值會越高，這可能是由于非常短的標距長度，并且限制了一定量的泊松膨脹，因此抑制了較低的能量故障模式（例如，分裂）。

Silverman和Jones[6]研究了由APC-2和混合纖維制備的復合材料的軸向彎曲性能。結果表明，APC-2的強度比混合纖維高30%，彎曲強度和彎曲模量分別為1 687 MPa和108 GPa。由于樹脂的良好潤濕性，APC-2復合材料的質量更好，這是其優異彎曲性能的原因。Hartness研究了APC在不同測試溫度下彎曲性能的變化。發現當溫度高于基體的玻璃化轉變溫度時，復合材料的彎曲性能開始顯示顯著的降低。

3 加工工藝

Beehag和Ye[7]研究了冷卻速率對單向混合CCF/PEEK復合材料的固結質量和橫向彎曲性能的影響。表2表明冷卻速率對混合的CCF/PEEK復合材料的影響可能不如確保加工期間復合材料的固化質量重要。

加工條件對CCF/PEEK復合材料界面強度的影響由Vu-Khanh和Denault[8]證明。他們發現APC-2在成型溫度下的短梁剪切強度遠高于混合系統，APC-2的性能不受在400 ℃的飽壓時間影響，直到發生基體退化。隨成型溫度增加，NCS-1025的短梁強度也會增加。當溫度高于約460 ℃時，APC-2和NCS-1025復合材料的性能由于界面的降解而降低。同時二又都受冷卻速率的影響。隨著冷卻速率的增加，APC-2的短梁剪切強度達到約73MPa的最高值，而NCS-1025復合材料的短梁剪切強度隨著冷卻速率的增加而連續降低。

Beehag和Ye[9]研究了冷卻壓力對混合CCF/PEEK復合材料的層間斷裂性能的影響。從圖7可以觀察到，模式I層間斷裂韌性開始隨著冷卻壓力的增加而增加，然后減小，最終達到穩定值，而模式II層間斷裂韌性僅隨著冷卻壓力增加而增加。此外，Beehag和Ye[10]研究了混合CCF/PEEK復合材料的固化質量和層間斷裂性之間的關系。證明模式I層間斷裂韌性與固化質量幾乎沒有直接相關性，而模式II斷裂韌性明顯增加，固化質量會降低（圖4）。

Gao等人[12]還發現CCF/PEEK的耐沖擊性優于CCF/EP。顯然CCF/PEEK具有更好的耐沖擊性，而且快速冷卻的CCF/PEEK具有最好的耐沖擊性（圖5）。

4 結語

連續碳纖維增強聚醚醚酮（CCF/PEEK）復合材料以其優異的性能自其誕生以來，愈來愈受到各行業的強烈關注。幾十年研究熱度不減，足以證明其潛在的廣泛的巨大應用空間。隨著其加工技術的提高，CCF/PEEK復合材料必能在一些環境，尤其苛刻環境中得到廣泛的應用，為解決某些工程問題提供可靠的高性能材料。

參考文獻

[1] A Lustiger，FS Uralil，GM Newaz.Processing and Structural Optimization of PEEK Composites[J].Polym. Compos.，2011，11（1）：65-75.

[2] DJ Blundell，RA Crick，B Fife，et al.Spherulitic Morphology of the Matrix of Thermoplastic PEEK/Carbon Fibre Aromatic Polymer Composites[J].J.Materi. Sci.，1989，24（6）：2057-2064.

[3] MHR Jen，YC Tseng，SC Chang，et al.Mechanical Properties in Notched AS-4/PEEK APC-2 Composite Laminates at Elevated Temperature[J].J.Compos. Mater.， 2006，40（11）：955-969.

[4] D Leeser，DC Leach.Compressive Properties of Thermoplastic Matrix Composites[A].34th Int.SAMPE Sym.[C].1989：1464-1473.

[5] RJ Lee.Compression Strength of Aligned Carbon Fiber-Reinforced Thermoplastic Laminates[J].Composites.， 1987（18）：1-12.

[6] EM Silverman，RJ Jones.Property and Processing Performance of Graphite/PEEK Prepreg Tapes and Fabrics[J].SAMPE.J.，1988（25）：38-47.

[7] A Beehag，LYe.Influence of cooling Rate on Interlaminar Fracture Properties of Unidirectional Commingled CF/PEEK Composites[J].Appl.Compos.Mater.，1995（2）：135-151.

[8] T Vu-Khanh，J Denault.Effect of Molding Parameters on the Interfacial Strength in PEEK/Carbon Composites[J].J. Reinf. Plast.Compos.，1993（12）：916-931.

[9] A Beehag，L Ye.Role of Cooling Pressure on Interlaminar Fracture Properties of Commingled CF/PEEK Composites[J].Compos. Part A Appl.Sci.Manuf.，1996（27）：175-182.

[10] A Beehag，L.Ye.Consolidation and Interlaminar Fracture Properties of Unidirectional Commingled CF/PEEK Composites[J].J. Thermoplast. Compos. Mater.，1996（9）：129-150.

[11] SL Gao，JK Kim.Cooling Rate Influences in Carbon Fibre/PEEK Composites.Part III：Impact Damage Performance[J].Compos. A Appl. Sci. Manuf.，2001（32）：775-785.