国外连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料研究进展

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摘 要：聚醚醚酮由于其优异的耐化学腐蚀性、耐高温性和良好的机械性能，被誉为“工程塑料综合性能之王”，是首选的热塑性复合材料的优质基体。高性能聚醚醚酮与强性能碳纤维的“高强联合”，而制得高强度、高模量、低密度的高性能连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（CCF/PEEK），为实现以塑代钢从根本上解决某些工程问题提供了高性能的材料。该文针对近年来国际CCF/PEEK复合材料研究前沿与热点，总结阐述CCF/PEEK复合材料的制备工艺、结构与性能的研究进展。

关键词：聚醚醚酮 连续碳纤维 复合材料 应用

中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：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

由于高性能碳纤维（CF）的加入，使连续碳纤维（CCF）增强热塑性复合材料，在重量降低的前提下還具有超高的强度和模量。而热塑性基体的加入，使复合材料具有更高的韧性以及更短的加工时间。尤其是聚醚醚酮（PEEK）作为热塑性基体，由于其优异的抗溶剂性、耐摩擦性能和独特的生物相容性，使得连续纤维增强聚醚醚酮复合材料能够被广泛地应用于航空航天、汽车、医疗等领域。

1 微观结构

对于连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的大量研究都是基于预浸带方法来制备复合材料，典型代表就是ICI公司的APC系列产品。尤其是对APC-2（CCF/PEEK）的研究最多，主要集中于加工、微观结构和性能之间的关系。而对于非预浸体系制备的CCF/PEEK复合材料的研究相对较少，这主要是由于非预浸体系相对较差的基体渗透性，因此对于非预浸体系，很多研究工作集中于加工、固化质量和性能之间的关系。

Lustiger等[1]通过DSC研究了处理条件对来自APC-2预浸料的复合材料的形态的影响。结果表明，根据ICI工序，低压和物理老化条件制备的板存在两种不同的晶体形态或熔融和重结晶。Lustiger等[1]还通过等离子体蚀刻和扫描电子显微镜研究了各种冷却速率下的球晶形态。从图1和图2可以观察到，较快的冷却板通常显示孤立的碳纤维成核球晶，而缓慢冷却的条件下显示出更大的纤维成核球晶。

Blundell等人[2]研究了通过高锰酸蚀刻技术在APC-2/AS4复合材料内部形成的PEEK基体中的晶体球晶生长习性和成核过程（图3）。

2 力学性能

Jen等人[3]研究了无缺口和缺口交叉层和准各向同性APC-2层压板在高温下的机械性能。发现随着温度的增加，两种层压板的抗拉强度和模量在不同程度下降。而对于缺口的试样，随着孔直径的增加，两个叠层的极限强度严重降低。

Leeser和Leach[4]发现了这些失效模式：欧拉屈曲、纤维剪切、纵向分裂、分层、纤维微屈曲和剪切劈裂。多种失效机理的组合导致在不同测试条件下复合材料的抗压强度的差异。对于具有61%的高强度碳纤维体积含量的CCF/PEEK复合材料，由Lee[5]测量的压缩强度范围为1 100～1 400 MPa。表1列出了具有不同计量距离的复合材料的抗压强度测量值。随着标距长度的减少，对应的抗压值会越高，这可能是由于非常短的标距长度，并且限制了一定量的泊松膨胀，因此抑制了较低的能量故障模式（例如，分裂）。

Silverman和Jones[6]研究了由APC-2和混合纤维制备的复合材料的轴向弯曲性能。结果表明，APC-2的强度比混合纤维高30%，弯曲强度和弯曲模量分别为1 687 MPa和108 GPa。由于树脂的良好润湿性，APC-2复合材料的质量更好，这是其优异弯曲性能的原因。Hartness研究了APC在不同测试温度下弯曲性能的变化。发现当温度高于基体的玻璃化转变温度时，复合材料的弯曲性能开始显示显著的降低。

3 加工工艺

Beehag和Ye[7]研究了冷却速率对单向混合CCF/PEEK复合材料的固结质量和横向弯曲性能的影响。表2表明冷却速率对混合的CCF/PEEK复合材料的影响可能不如确保加工期间复合材料的固化质量重要。

加工条件对CCF/PEEK复合材料界面强度的影响由Vu-Khanh和Denault[8]证明。他们发现APC-2在成型温度下的短梁剪切强度远高于混合系统，APC-2的性能不受在400 ℃的饱压时间影响，直到发生基体退化。随成型温度增加，NCS-1025的短梁强度也会增加。当温度高于约460 ℃时，APC-2和NCS-1025复合材料的性能由于界面的降解而降低。同时二又都受冷却速率的影响。随着冷却速率的增加，APC-2的短梁剪切强度达到约73MPa的最高值，而NCS-1025复合材料的短梁剪切强度随着冷却速率的增加而连续降低。

Beehag和Ye[9]研究了冷卻压力对混合CCF/PEEK复合材料的层间断裂性能的影响。从图7可以观察到，模式I层间断裂韧性开始随着冷却压力的增加而增加，然后减小，最终达到稳定值，而模式II层间断裂韧性仅随着冷却压力增加而增加。此外，Beehag和Ye[10]研究了混合CCF/PEEK复合材料的固化质量和层间断裂性之间的关系。证明模式I层间断裂韧性与固化质量几乎没有直接相关性，而模式II断裂韧性明显增加，固化质量会降低（图4）。

Gao等人[12]还发现CCF/PEEK的耐冲击性优于CCF/EP。显然CCF/PEEK具有更好的耐冲击性，而且快速冷却的CCF/PEEK具有最好的耐冲击性（图5）。

4 结语

连续碳纤维增强聚醚醚酮（CCF/PEEK）复合材料以其优异的性能自其诞生以来，愈来愈受到各行业的强烈关注。几十年研究热度不减，足以证明其潜在的广泛的巨大应用空间。随着其加工技术的提高，CCF/PEEK复合材料必能在一些环境，尤其苛刻环境中得到广泛的应用，为解决某些工程问题提供可靠的高性能材料。

参考文献

[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.

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

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[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.

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