連續碳纖維增強熱塑性復合材料的性能優勢及應用舉例

李三平 楊 正

摘? 要：該文主要介紹碳纖維增強聚醚醚酮復合材料、碳纖維增強熱塑性聚酰亞胺復合材料、碳纖維增強聚苯硫醚復合材料這3種典型的碳纖維增強熱塑性復合材料的性能優勢，并針對碳纖維增強熱塑性復合材料在醫療等民用領域的實際應用情況，對比了連續性碳纖維增強的方式與短切及粉末碳纖維增強方式的效果差異。以連續碳纖維增強聚醚醚酮復合材料骨外科醫療部件為對象，對其耐磨性、生物相容性、耐高溫性、X光射線透過性能分別加以說明。

關鍵詞：連續碳纖維;熱塑;復合材料;應用

中圖分類號：TQ327? ? 文獻標志碼：A

隨著碳纖維增強熱固性復合材料應用的日益成熟，碳纖維增強熱塑性復合材料也逐步從航空航天領域走向工業機械、高端醫療、軌道交通、電子電器等多種民用領域。與傳統的熱固性碳纖維復材相比，熱塑性復合材料具有高韌性、高抗沖擊和損傷容限、無限預浸料存儲期、成型周期短、可回收利用、易修復等顯著特征，具備環保、高效及高性能優勢。該文就分別以碳纖維增強聚醚醚酮、碳纖維增強熱塑性聚酰亞胺、碳纖維增強聚苯硫醚這3種復合材料介紹碳纖維增強熱塑性復合材料的性能優勢，并結合生產和應用實際，重點介紹連續性碳纖維增強聚醚醚酮復合材料在骨外科醫療領域中的性能表現。

1 幾種典型的碳纖維增強熱塑性復合材料的性能優勢

1.1 碳纖維增強聚醚醚酮（PEEK）復合材料的性能優勢

聚醚醚酮剛性高、尺寸穩定性好、線膨脹系數小、能承受極大的應力，不會由于時間的延長而產生明顯的延伸，而且其密度小，加工性能好，適用于對精細度要求高的部件。聚醚醚酮本身就是熱塑性樹脂中耐熱性較好的一種，長期的工作溫度甚至能達到250℃，在這樣的高溫環境下，其力學性能基本不受影響。不過，碳纖維材料的加入可以進一步提升聚醚醚酮材料的性能，尤其是強度、剛性和耐磨性等方面，對于制品的整體使用壽命也有明顯的延長作用。相關實驗證明，碳纖維材料的占比在25%～30%時，以聚醚醚酮為基體的復合材料的耐磨性有顯著提高。另外，使用碳纖維增強的聚醚醚酮復合材料與傳統的金屬材料相比，至少可以減重70%以上，目前國內主要應用于骨科醫療器械，對耐高溫、耐磨性要求較高的高端工業領域來說也是理想的制作材料。

1.2 碳纖維增強熱塑性聚酰亞胺（TPI）復合材料的性能優勢

熱塑性聚酰亞胺材料在熱穩定性、抗沖擊性、抗輻射性和耐溶劑性能等方面都表現突出，在高溫、高低壓和高速等極端環境下，這種材料展現出優異的耐摩擦耐磨損性能。采用碳纖維進行增強后，可進一步提高這類材料的應用性能，擴大其應用范圍。實驗證明，碳纖維的加入能顯著提高熱塑性聚酰亞胺的力學性能，當碳纖維的體積分數達到30%時，材料的拉伸和彎曲強度大約為純樹脂的2～3倍。碳纖維的加入也可有效增強聚酰亞胺復合材料的抗磨性能。由于碳纖維的耐磨性比聚酰亞胺材料更強，所以在實際應用過程中，聚酰亞胺材料會先被磨損掉，碳纖維就會裸露在磨損表面，成為載荷的主要承載者，這在一定程度上能抑制聚酰亞胺基體的進一步磨損。碳纖維增強的方式賦予了熱塑性聚酰亞胺以更加出色的耐熱性能和機械性能，使之成為更高等級的耐磨損、耐腐蝕的高性能材料。

1.3 碳纖維增強聚苯硫醚（PPS）復合材料的性能優勢

聚苯硫醚也是頗受復合材料行業青睞的熱塑性樹脂之一，其在力學性能、耐腐蝕性、自阻燃性等方面都表現優異，所以常常被用作各類高性能復合材料的基體材料。但是，PPS是一種非極性高分子材料，碳纖維與其界面結合強度不是很好。簡而言之，就是二者熔融黏度較大，纖維的浸漬比較困難。在復合材料中，基體與纖維的黏結程度越好，應力越能均勻地傳遞到纖維上，材料的拉伸強度也就越高。如果增強體與基體之間的黏結度差，應力就不能得到有效傳遞，易形成應力集中，從而導致材料的拉伸強度下降。因此，在與碳纖維的結合中，如何處理碳纖維在PPS中的浸漬問題，也就是熔融程度的問題是其技術關鍵。通過預浸化處理及相應的模壓工藝，所形成的碳纖維增強聚苯硫醚復合材料成品，其力學性能及耐化學溶劑性都非常理想。和上述2種碳纖維增強熱塑性復合材料類似，碳纖維增強聚苯硫醚復合材料的各項力學性能也受碳纖維含量的影響，在一定閾值下，碳纖維含量越大，承擔外力載荷的能力也就越強。

2 連續碳纖維增強聚醚醚酮復合材料在骨外科醫療中的應用表現

目前，國內對碳纖維增強熱塑性復合材料的應用主要集中在醫療、高精密器械等方面，該文僅根據無錫智上新材料科技有限公司提供的連續碳纖維增強聚醚醚酮骨外科醫療部件的應用表現做案例性說明。

2.1 連續碳纖維增強聚醚醚酮復合材料的耐磨性

聚醚醚酮材料本身就很耐磨，碳纖維具有“亂層石墨”結構，自身的耐磨性也很優異，碳纖維在聚醚醚酮樹脂中的分布狀態對碳纖維增強聚醚醚酮復合材料的耐磨性會有直接的影響，碳纖維分布越均勻，對聚醚醚酮樹脂的包覆性也就越好。因此，采用碳纖維增強的聚醚醚酮復合材料在耐磨性能方面可謂是“強強聯合”。

在復合材料中使用纖維增強體的原理是：增強纖維一般都比基體材料更耐磨、強度更大，力學性能也更好，當復合材料面對彎曲或剪切破壞時，增強體纖維就會從基體中拔出，在拔出的同時，也抵消或者吸收了一部分外加載荷帶來的能量。在一定長度范圍內，一般纖維越長，拔出時吸收的能量就越多，對復合材料的強度貢獻越大。而且，對于相同體積含量的復合材料來說，單根纖維越長就意味著纖維根數越少，較少的纖維數量在端部造成的應力集中也就會相應降低，這對復合材料的整體性能都有積極作用。另外，有研究顯示，連續性、更長的碳纖維可以提供更多的潤滑作用，在這種持續、穩定的潤滑作用下，摩擦系數就會減小，磨損量變小，所形成的磨屑也更為細微。

相比國內較為常見的短切碳纖維或碳纖維粉末增強聚醚醚酮復合材料產品，無錫智上新材料科技有限公司推出的采用連續碳纖維增強熱塑性復合材料制作的產品，其將短切或粉末碳纖維增強熱塑性復合材料的性能提升了一大步。這種優勢有利于制品在高頻率、高載荷運行中提供更穩定、更堅固的功效。

2.2 連續碳纖維增強聚醚醚酮復合材料的生物相容性

碳纖維材料作為醫療器械本身無毒性，按照醫療器械生物學評價的標準，采用細胞毒性試驗測定材料浸提液是否會引起細胞溶解、生長抑制和細胞其他方面的影響;采用遲發型超敏反應試驗評價材料浸提液是否具有潛在的接觸過敏性;采用皮內刺激試驗評價組織對材料浸提液是否有局部刺激反應;采用急性全身毒性試驗評估在動物模型中24 h內一次或多次接觸醫療器械潛在的危害作用。試驗結果表明，碳纖維材料均無細胞毒性和急性全身毒性，對豚鼠均無遲發型致敏作用，對皮膚均無刺激作用。

采用連續碳纖維作為增強體，選用食品級的聚醚醚酮樹脂作為基體材料，形成的連續碳纖維增強聚醚醚酮復合材料也經過相關的體內體外實驗證明，不僅無細胞毒性，還能促進骨細胞的蛋白合成和成骨，用作人工關節假體時還能呈現出良好的促成骨細胞增生及黏附能力。碳纖維增強聚醚醚酮復合材料與骨的界面結合強度優于其他人工關節材料，臨床應用療效明顯優于金屬材料產品，能從根本上緩解目前關節假體金屬材料由于力學和生物學不相容所導致的假體松動并發癥等問題，較為成熟的應用形式有腰椎融合器、接骨板等。

2.3 碳纖維增強聚醚醚酮復合材料的耐高溫性

一般說來，高溫蒸汽所帶來的水分子會影響到復合材料的性能，因為，水分子進入復合材料中，會使基體和纖維間的結合度下降，當這種結合度下降到一定程度時，界面間就會產生脫黏現象，這種脫黏不僅會造成部分纖維被拔出，而且會降低纖維和基體間的應力傳遞，導致復合材料強度的下降。而且，高溫下水分子運動加快，同時復合材料中樹脂基體的鏈段松弛運動也加快，水分子滲透進入復合材料的內部的速度也將加快，最終導致高溫下復合材料的性能更低。但是，當熱水、蒸汽、溶劑和化學試劑等各項指標都處于一定范圍內時，具有較好耐濕熱能力的聚醚醚酮材料仍能保持較高的機械強度和水解穩定性。因此，用連續碳纖維增強的聚醚醚酮復合材料制作的骨科瞄準器、外固定支架等適用于醫院常規的器械消毒過程，例如蒸汽高溫滅菌。經過嚴格實驗證明，只有超過1小時以上的120℃以上的高溫蒸汽才會在極微小的程度上對材料的彎曲和剪切強度產生影響，而15min-20min分鐘的常規高溫滅菌并不會對這種連續碳纖維增強peek復合材料的醫療器械產生任何性能上的消極影響，這也是大多數金屬類材質無法比擬的。

2.4 連續碳纖維增強聚醚醚酮復合材料的X光透過性

碳纖維增強聚醚醚酮復合材料、不銹鋼、硬鋁合金材質，這3種骨外醫療器械相比，在X光片上所呈現的影像差別很大，不銹鋼、鋁合金的骨外固定醫療部件的影像在X光片上明顯可見，而碳纖維增強聚醚醚酮復合材料在X射線下卻沒有干擾視覺的可能性。碳纖維增強聚醚醚酮復合材料的材質所體現出的優越X射線穿透能力，主要得益于碳原子序數較低，射線對其作用效果與人體相當。因此，在放射性定位診斷過程中，碳纖維對圖像質量影響很小，不僅在二維影像中不形成遮擋障礙，在三維影像中，也不會在其周圍產生偽影。在臨床上，碳纖維增強聚醚醚酮的這種X光穿透性有利于醫生能夠更好地進行骨折的整復治療，也便于其更清晰地觀察到病灶的愈合情況。

目前，這類連續碳纖維增強熱塑性聚醚醚酮復合材料主要用于骨外科醫療部件，主要包括骨外科固定支架、骨外科瞄準器和骨外科瞄準器支架等。這類材料過去都是依靠進口，現在無錫智上新材料科技有限公司通過自主研發，采用國產連續碳纖維增強聚醚醚酮復合材料預浸料為原材料，使這種熱塑性碳纖維制品的成品價格降低了1∕3，這為碳纖維增強熱塑性復合材料在更大范圍內的推廣應用做出了良好鋪墊。

3 結語

總之， 采用連續碳纖維作為增強體將成為多種熱塑性復合材料提升性能的途徑之一，雖然國內對該領域的研究和應用尚處于起步階段，但隨著連續性碳纖維增強熱塑性預浸料的國產化以及醫療、精密儀器設備、高端工業制造等領域對高性能先進復合材料需求的不斷擴大，多種類不同功能的連續碳纖維增強熱塑性復合材料制品也將不斷涌現。

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