纖維復材醫療器械應用性能優勢與采購成本控制

中圖分類號：TQ342*.87 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）05-0112-04

Abstract：Basedon the demand for electromagnetic shielding performance and thermal stability offiber composites in hospital equipment under the background of cost control，the efects of graphenecontent on the microstructure， microstructure and properties offibercomposites were investigated by adding graphene with diferent content to fiber composites.The results showed that the addition of graphene improved the interfacial adhesion between the carbon fiberand the resin matrix，and the carbon fiber would not be pulled out in large quantities when subjected to the same applied load.The addition of graphene to fiber compositescould help improve the thermal stabilityof composites.Under the same electromagnetic frequency，the total eficiency of fibercomposites fromhigh to low was： G0.49，GO.78，GO.34，GO.15，GO，and when the graphene content was 0.49% ，the composite materials had the highest total eficiencyandthebestelectromagneticshieldingability，which issuitableforapplicationinhospitalequipment composites under the background of cost control.

Key words：hospital equipment；fiber composite materials；graphene content；electromagnetic shielding performance； thermal stability

隨著信息化技術的快速發展以及對醫療系統成本控制要求的提高，尤其是當成本控制參與到醫院的決策過程中時，醫院器械的整體質量和服役性能將決定醫院的決策效率和服務質量，這就對醫院器械（直接或者間接用于人體的儀器、設備、器具等）的各項性能提出了更高的使用需求，如纖維復合材料醫療器械除需要滿足傳統材料已有的物理和化學性能外，還需要具有良好的電磁屏蔽性能和熱穩定性等。基于成本控制背景下醫院器械對纖維復合材料電磁屏蔽性能和熱穩定性的需求[1-3]，考察了在纖維復合材料中加入不同石墨烯以及石墨烯含量對纖維復合材料顯微組織、微觀結構、電磁屏蔽性能和熱穩定性的影響，研究結果將有助于成本控制背景下醫院器械用纖維復合材料的開發與轉型升級，更好的提升醫院的決策效率和服務質量。

1實驗材料與方法

1.1 實驗材料與設備

實驗材料：市售碳纖維（拉伸強度高達700MPa ，江蘇天鳥高新技術有限公司）；片層厚度小于 30nm 的石墨烯（南京吉倉納米科技有限公司）；純度 99.6% 的氰酸酯（CE，揚州天啟新材料股份有限公司）；市售環氧樹脂（EP，環氧當量 190g/eq ，江西騰德實業有限公司）；分析純N，N-二甲基甲酰胺（DMF，山東旭晨化工科技有限公司）。

主要設備：JM－B2003型電子天平（上海香川電子衡器有限公司）；101型電熱恒溫鼓風干燥箱（南通三思機電科技有限公司）；CJ-020S型超聲波清洗機（深圳市超潔科技實業有限公司）；FE－1050型高分辨場發射掃描電鏡（納克微束（北京）有限公司），TECAITWIN型透射電子顯微鏡（美國FEI公司）；Niclet6700型光譜分析儀（美國賽黙飛世爾科技有限公司）；CSY-LM4300型拉曼光譜測試儀（深圳市芬析儀器制造有限公司）；ShimadzuTGA-50型熱重分析儀（日本島津）；AgilentTechnologiesE8362B型矢量網絡分析儀（安捷倫科技有限公司）。

1.2 試樣制備

采用真空浸漬法[4]制備碳纖維/石墨烯復合材料。制備過程中先將 的石墨烯與 48mL 的DMF進行超聲分散處理，然后在58℃/8h條件下干燥得到碳纖維/石墨烯織物；將體積比4：1的CE和EP進行混合后，將碳纖維/石墨烯織物浸漬在溶液中，78℃/3h條件下放置，然后進行118℃/1h+（204 148‰ 、壓力為 8MPa 的固化處理。將質量分數分別為0、0.150.34、0.49和 0.78% 的石墨烯與碳纖維進行浸漬，制備[5]得到的纖維復合材料為碳纖維/石墨烯復合材料。

1.3 測試方法

采用FE-1050型高分辨場發射掃描電鏡和TECAITWIN型透射電子顯微鏡對復合材料的顯微形貌進行觀察；采用Niclet6700型光譜分析儀對復合材料進行紅外光譜分析；采用CSY-LM4300型拉曼光譜測試儀對復合材料進行拉曼光譜測試；采用ShimadzuTGA-50型熱重分析儀對復合材料進行熱失重分析；電磁屏蔽性能采用AgilentTechnologiesE8362B型矢量網絡分析儀進行測試。

2 結果與分析

2.1 顯微形貌和微觀結構

圖1為碳纖維的熱失重曲線。在測試溫度范圍內，碳纖維基本沒有失重，表明其在測試溫度范圍內具有較高的熱穩定性[6。圖2為石墨烯的顯微形貌和結構特征。

由圖2可知，從石墨烯的掃描電鏡形貌中可見，石墨烯在掃描電鏡下呈現二維片狀分布特征，片狀區域部分還可見褶皺；從石墨烯的透射電鏡顯微形貌中可見，石墨烯在透射電鏡下可見邊緣重疊特征，這種結構有助于電子傳輸[7]，一定程度提高復合材料的電磁屏蔽性能；從石墨烯的紅外光譜圖中可見，石墨烯在 位置處存在一OH伸縮振動峰，在 位置處存在 c=c 伸縮振動峰；從拉曼光譜圖中可見，石墨烯在 位置處存在D帶特征峰，在 位置處存在G帶特征峰，計算[8]可得D帶和G帶的峰強比值為0.66，表明石墨烯的內部缺陷較少，有助于電子傳輸而提升導電性能。

2.2 電磁屏蔽性能

圖3為不同石墨烯含量的纖維復合材料的總效能和電磁屏蔽吸收效能。

從圖3（a）的纖維復合材料的總效能（ ）變化曲線可知，隨著頻率的增加，不同石墨烯含量的纖維復合材料的總效能整體呈現逐漸上升的趨勢，在相同電磁頻率下，纖維復合材料的總效能從高至低順序為：G0.49、G0.78、G0.34、G0.15、G0，石墨烯含量為0.49%時復合材料具有最高的總效能。這主要是因為適量的石墨烯加入有助于提升電子在纖維復合材料中的傳輸，而過高的石墨烯含量會在復合材料內部產生團聚而影響電子傳輸[9-13]，適宜的石墨烯含量為 0.49% 。

從圖3（b）的電磁屏蔽吸收效能（ ）曲線中可見，隨著頻率的增加，復合材料的電磁屏蔽吸收效能整體上升，在相同頻率下，石墨烯含量為 0.49% 的纖維復合材料的電磁屏蔽吸收效能最大，其次為石墨烯含量0.78% 的纖維復合材料，這主要是因為石墨烯的加入會增加纖維復合材料的電子傳輸能力和導電性[14]

圖4為不同石墨烯含量的纖維復合材料的電磁屏蔽反射效能和電磁屏蔽性能對比圖。

從圖4（a）的電磁屏蔽反射效能（ ）變化曲線中可見，除石墨烯含量為 0.49% 的纖維復合材料的電磁屏蔽反射效能低于石墨烯含量為 0% 的纖維復合材料外，其余添加石墨烯的纖維復合材料的電磁屏蔽反射效能都相對比石墨烯含量為 0% 的纖維復合材料要高。

從圖4（b）的總效能、電磁屏蔽吸收效能、電磁屏蔽反射效能對比圖中可見，G0.49復合材料具有最低的電磁屏蔽反射效能、最高的電磁屏蔽吸收效能和總效能，具有最佳的電磁屏蔽能力，適于在成本控制背景下醫院器械復合材料中應用[15-17] 。

2.3 熱穩定性

為了考察不同石墨烯含量的纖維復合材料的熱穩定性，對纖維復合材料進行了熱失重分析。不同石墨烯含量的纖維復合材料的熱失重曲線如圖5所示。

由圖5可知，與不添加石墨烯的纖維復合材料相比，添加石墨烯復合材料的熱穩定性都有所提高，在相同溫度下添加石墨烯的纖維復合材料的熱失重都要小于未添加石墨烯的纖維復合材料。在溫度小于308℃時，不同石墨烯含量的纖維復合材料的熱失重較小；在溫度介于308～448℃時，不同石墨烯含量的纖維復合材料的熱失重較大，這主要由于樹脂材料的分解18；繼續增加溫度，不同石墨烯含量的纖維復合材料的分解速度較緩，在溫度達到800℃時，石墨烯含量為0%、0.15%、0.34%、0.49% 和 0.78% 的纖維復合材料的殘留率分別為40.22、41.38、41.92、42.64和 44.75% 。由此可見，在纖維復合材料中添加石墨烯有助于提升復合材料的熱穩定性，這主要是因為石墨烯的加入有助于改善纖維復合材料的界面性能，增強相互作用力，從而改善了纖維復合材料的熱穩定性[19]

2.4成本控制背景下醫院器械中的應用

基于成本控制背景下醫院器械對纖維復合材料電磁屏蔽性能和熱穩定性的需求，在醫院器械承受相同外加載荷時，需要其良好的電磁屏蔽性能，而在相同成本控制條件下，石墨烯含量為 0.49% 時復合材料具有最高的總效能。因此，如果要采購醫院器械時，相同成本控制條件下，會優先選用性能更好的石墨烯含量為 0.49% 時的復合材料。從醫院器械對纖維復合材料熱穩定性的需求角度來看，與不添加石墨烯的纖維復合材料相比，添加石墨烯后復合材料的熱穩定性都有所提高[20]，在相同溫度下添加石墨烯的纖維復合材料的熱失重都要小于未添加石墨烯的纖維復合材料。因此，如果要采購醫院器械時，在考慮成本控制條件下，會優先選用熱穩定性更好的纖維復合材料，即選用添加石墨烯的纖維復合材料。

3結語

（1）石墨烯中D帶和G帶的峰強比值為0.66，表明石墨烯的內部缺陷較少，可以有助于電子傳輸而提升導電性能；

（2）石墨烯的加入改善了碳纖維與樹脂基體的界面結合力，在承受相同外加載荷時，碳纖維不會出現大量拔出現象；

（3）石墨烯含量為0.49%的復合材料具有最低的電磁屏蔽反射效能、最高的電磁屏蔽吸收效能和總效能，具有最佳的電磁屏蔽能力，適宜于在成本控制背景下醫院器械復合材料中應用；

（4）在纖維復合材料中添加石墨烯有助于提升復合材料的熱穩定性。

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（責任編輯：蘇慢）