碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮(CF/PEEK)復(fù)合材料的摩擦磨損性能解析

　　隨著現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高性能材料需求的不斷增長(zhǎng)，碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮(CF/PEEK)復(fù)合材料因其優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、耐高溫性、耐化學(xué)腐蝕性以及良好的生物相容性，已成為航空航天、汽車(chē)制造和高端醫(yī)療植入等領(lǐng)域的重要候選材料。尤其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，PEEK材料因其彈性模量接近人骨、無(wú)金屬離子釋放、X射線(xiàn)可透性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于脊柱植入物、顱骨修復(fù)和關(guān)節(jié)替代等醫(yī)療器械中。將碳纖維引入PEEK基體后，不僅顯著提升了材料的力學(xué)性能和耐磨性，還保持了良好的生物惰性，使其成為理想的長(zhǎng)期植入材料。然而，植入體在體內(nèi)長(zhǎng)期服役過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷微動(dòng)摩擦與磨損，若材料磨損嚴(yán)重，可能產(chǎn)生磨屑引發(fā)炎癥或植入失敗。因此，CF/PEEK復(fù)合材料的摩擦磨損性能直接關(guān)系到其在人體內(nèi)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和安全性，成為評(píng)價(jià)其臨床應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵指標(biāo)之一。近年來(lái)，研究人員致力于探索不同碳纖維含量對(duì)CF/PEEK耐磨性能的影響，以期在保證生物相容性的前提下，優(yōu)化其摩擦學(xué)行為，提升使用壽命。

　　本身具有良好的熱塑性和加工性能，但其表面惰性強(qiáng)、極性低，導(dǎo)致碳纖維與基體之間的界面結(jié)合較弱，易在應(yīng)力作用下發(fā)生脫粘，進(jìn)而影響整體的力學(xué)與耐磨性能。為解決這一問(wèn)題，提升纖維與基體的浸潤(rùn)性和界面結(jié)合強(qiáng)度，必須對(duì)碳纖維或PEEK基體進(jìn)行表面改性處理。國(guó)內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)如智上新材料科技有限公司在該領(lǐng)域開(kāi)展了系統(tǒng)性研發(fā)，采用多種手段對(duì)碳纖維進(jìn)行預(yù)處理，顯著改善了PEEK樹(shù)脂對(duì)纖維的浸漬效果。這些改性工藝不僅增強(qiáng)了界面粘結(jié)力，還促進(jìn)了復(fù)合材料內(nèi)部應(yīng)力的有效傳遞，為提升其摩擦磨損性能奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

　　在不斷的研究中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)表面改性的CF/PEEK復(fù)合材料界面性能顯著提升。對(duì)碳纖維進(jìn)行改性后，復(fù)合材料的表面能分別比純PEEK提高了10%—30%，表明了對(duì)于纖維改性以后纖維與基體之間的界面結(jié)合強(qiáng)度得到顯著增強(qiáng)。良好的界面結(jié)合有助于在摩擦過(guò)程中有效傳遞載荷，抑制微裂紋擴(kuò)展和纖維拔出，從而顯著提高材料的整體耐磨性。

　　在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中對(duì)比，在固定轉(zhuǎn)速200r/min條件下，隨著載荷增加，改性后復(fù)合材料的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，而磨損率則隨載荷上升而逐漸增加。與未改性的CF/PEEK相比，改性的CF/PEEK摩擦系數(shù)降低了10%，磨損率更是顯著下降，降低了70%，在固定載荷90N條件下，隨著轉(zhuǎn)速提高，摩擦系數(shù)和磨損率先降低后升高，表現(xiàn)出典型的摩擦學(xué)響應(yīng)特征。在此工況下，改性的CF/PEEK的摩擦系數(shù)降低了15%左右，磨損率降低了55%左右。而在南京理工大學(xué)的發(fā)表的一篇相關(guān)研究中進(jìn)一步證實(shí)，CF/PEEK復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率均顯著低于純PEEK材料，展現(xiàn)出更優(yōu)異的耐磨性能。在不同載荷與速度組合下，CF/PEEK復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)穩(wěn)定性，適用于復(fù)雜服役環(huán)境。

　　通過(guò)掃描電鏡(SEM)觀(guān)察磨損表面形貌發(fā)現(xiàn)，CF/PEEK復(fù)合材料在摩擦過(guò)程中，部分PEEK基體轉(zhuǎn)移至對(duì)磨面并形成一層均勻、連續(xù)的保護(hù)性轉(zhuǎn)移膜，有效減少了金屬對(duì)磨副與復(fù)合材料之間的直接接觸，從而降低了摩擦系數(shù)和磨損率。隨著磨損時(shí)間延長(zhǎng)，碳纖維逐漸暴露并參與承載，其高強(qiáng)度和自潤(rùn)滑特性進(jìn)一步抑制了材料的過(guò)度磨損。改性后的復(fù)合材料磨損表面損傷更輕微，纖維拔出和基體剝落現(xiàn)象明顯減少。改性的CF/PEEK，其磨損表面更為平整光滑，幾乎未見(jiàn)明顯裂紋或孔洞，顯示出卓越的抗磨損能力。

　　通過(guò)對(duì)碳纖維表面進(jìn)行化學(xué)改性處理，可顯著提升CF/PEEK復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度，從而有效改善其摩擦磨損性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改性后的材料不僅具有更低的摩擦系數(shù)和磨損率，且在不同工況下表現(xiàn)出更穩(wěn)定的摩擦學(xué)行為。此外，CF/PEEK復(fù)合材料在多種載荷與速度條件下均表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨穩(wěn)定性，結(jié)合先進(jìn)的制備與改性工藝，其性能可進(jìn)一步優(yōu)化。這些研究成果為CF/PEEK復(fù)合材料在航空航天、高端裝備及生物醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)和技術(shù)支撐，也為未來(lái)高性能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了新路徑。

　　值得一提的是，智上新材料科技有限公司通過(guò)自主研發(fā)的界面改性技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了CF/PEEK復(fù)合材料性能的全面提升。其改性產(chǎn)品在摩擦系數(shù)、磨損率及界面結(jié)合強(qiáng)度等關(guān)鍵指標(biāo)上已達(dá)到甚至接近國(guó)際先進(jìn)水平，整體性能與國(guó)外同類(lèi)高端產(chǎn)品相當(dāng)，打破了長(zhǎng)期以來(lái)的技術(shù)壁壘，推動(dòng)了我國(guó)CF/PEEK復(fù)合材料的自主化進(jìn)程。其性能參數(shù)可查看其網(wǎng)站的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

　　部分?jǐn)?shù)據(jù)和數(shù)據(jù)圖片來(lái)源碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮(CF/PEEK)復(fù)合材料的摩擦磨損的科研論文。