碳纖維復(fù)合材料自20世紀(jì)50年代被開(kāi)發(fā)出來(lái)之后，因其優(yōu)異的性能在航空航天領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。隨著人類(lèi)對(duì)碳纖維復(fù)合材料研究的不斷深入和完善，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用也在不斷增加，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航天、醫(yī)療、汽車(chē)、建筑、體育用品等領(lǐng)域。

目前市面上的碳纖維復(fù)合材料主要有兩大類(lèi)：一類(lèi)是熱固性碳纖維復(fù)合材料，以環(huán)氧熱固性碳纖維復(fù)合材料為代表，另一類(lèi)是熱塑性碳纖維復(fù)合材料,以CF/PEEK為代表。根據(jù)碳纖維布編織紋理又可分為平紋、斜紋、緞紋以及單向等多種復(fù)合材料。

圖1 碳纖維布編織紋理形式（從左往右依次為：平紋、斜紋、緞紋、單向）

環(huán)氧熱固性碳纖維復(fù)合材料

環(huán)氧熱固性碳纖維復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)具備成熟的生產(chǎn)工藝。環(huán)氧熱固性碳纖維復(fù)合材料紋路以編織為主，一些特殊行業(yè)會(huì)用到單向編織。目前主要應(yīng)用于汽車(chē)及其他工業(yè)方面。碳纖維含量正常是在60%-70%，其余30%-40%是環(huán)氧樹(shù)脂膠。成品的密度一般 1.7g/cm3左右。

優(yōu)點(diǎn)

1:強(qiáng)度高，因?yàn)槠涮祭w維含量高達(dá)60%-70%，所以材料的剛性特別強(qiáng)。其部分力學(xué)性能完全優(yōu)于鋁合金。

2:質(zhì)量輕,相對(duì)于鋁合金可以減重40%，相對(duì)于不銹鋼可以減重78%。

3:透X光，碳纖維本身具有良好的透X光性能，在加工成復(fù)合材料之后依舊保持良好的透光性。

4：加工尺寸穩(wěn)定，除了使用碳纖維布外，環(huán)氧樹(shù)脂固化后本身常溫下變形性小，所以材料的穩(wěn)定性較好，加工后不會(huì)出現(xiàn)明顯變形。

  缺點(diǎn)

1：脆性大，因?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂本身剛性基團(tuán)多，而柔韌性基團(tuán)少，交聯(lián)固化后成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致產(chǎn)品的脆性大，不耐沖擊，加工時(shí)容易崩口，開(kāi)裂甚至分層。所以不適合用于加工一些骨科的醫(yī)療器械產(chǎn)品。

(上圖為環(huán)氧熱固性碳纖維復(fù)合材料的器械在使用過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂）

2：耐濕熱水解性差，環(huán)氧型在成型時(shí)很難保證樹(shù)脂或者固化劑完全反應(yīng)，導(dǎo)致環(huán)氧型的碳纖維板耐水解和耐濕熱性差。所以環(huán)氧型碳纖維復(fù)合材料，不要反復(fù)使用。

3：耐溫性相對(duì)熱塑性碳纖維復(fù)合材料較低，碳纖維材料本身可以耐受上千攝氏度的高溫，但是常規(guī)的環(huán)氧樹(shù)脂正常能耐受的溫度只有150℃，超過(guò)200℃環(huán)氧樹(shù)脂就有出煙的現(xiàn)象，300℃基本上就開(kāi)始碳化。

4：難加工，因?yàn)樘祭w維本身對(duì)刀具有很大的磨損，所以對(duì)于碳纖維的精密零件，很難加工，同時(shí)加工的粉末進(jìn)入機(jī)床導(dǎo)軌后會(huì)磨損絲桿，影響機(jī)床的加工精度。

5：環(huán)氧樹(shù)脂與碳纖維結(jié)合強(qiáng)度不好，磨損后會(huì)有黑色粉末顆粒產(chǎn)生。 

6：材料不可回收再利用  

CF/PEEK熱塑性碳纖維復(fù)合材料

CF/PEEK熱塑性碳纖維復(fù)合材料一般是以緞紋編織的為主，緞紋的紋路之間間隙大，有錯(cuò)層間隙更有利于PEEK膠料的浸漬或者浸潤(rùn)。PEEK材料的流動(dòng)性不好，冷卻固化速度快。所以碳纖維復(fù)合材料的浸潤(rùn)難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)氧型碳纖維復(fù)合材料。PEEK的熱塑性復(fù)合材料一般碳纖維占比50~ 60%之間。密度一般為1.56g/cm3左右。PEEK本身作為特種高性能工程塑料，具有很多普通材料不具備的性能優(yōu)點(diǎn)，如高強(qiáng)度，耐高溫，自潤(rùn)滑，耐水解，耐腐蝕等等。所以PEEK型的碳纖維復(fù)合材料相較于普通環(huán)氧型的碳纖維復(fù)合材料，性能更加優(yōu)越，解決了環(huán)氧型復(fù)合材料存在的很多問(wèn)題。因PEEK本身價(jià)格比較昂貴，工藝成型難度大，所以目前PEEK熱塑性復(fù)合材料的價(jià)格也比較昂貴。目前主要廣泛應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)。

優(yōu)點(diǎn)

1:強(qiáng)度高，PEEK本身就是一種高強(qiáng)度的工程塑料，所以在PEEK和碳纖維復(fù)合之后，復(fù)合材料的部分力學(xué)性能已經(jīng)超過(guò)普通金屬的力學(xué)性能，如鋁合金。

2:質(zhì)量輕,相對(duì)于鋁合金只有其重量的1/2，相對(duì)于不銹鋼只有其重量的1/5。

3:透X光，PEEK和碳纖維本身都具有良好的透X光性能，在加工成復(fù)合材料之后依舊可以保持良好的透光性。

  4：加工尺寸穩(wěn)定，因?yàn)椴牧喜捎玫氖蔷幙椀奶祭w維布來(lái)加工的，所以材料的穩(wěn)定性較好，加工后不會(huì)出現(xiàn)變形。

5：耐高溫,PEEK的耐溫性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂，可以在260℃長(zhǎng)時(shí)間使用。復(fù)合之后可以耐受反復(fù)不變形。

6：耐腐蝕，碳纖維和PEEK兩種材料本身都耐一般的化學(xué)腐蝕，尤其是PEEK材料，復(fù)合過(guò)程中一般不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，復(fù)合后，PEEK對(duì)碳纖維又形成了一層包覆，使復(fù)合之后材料的耐腐性能更加出眾。

7：層間結(jié)合強(qiáng)度好，江蘇君華生產(chǎn)的PEEK碳纖維復(fù)合材料不易分層。熱塑性在模壓成型時(shí)，熔融后結(jié)合到一體的結(jié)合強(qiáng)度高。所以不易分層。從PEEK與碳纖維結(jié)合角度說(shuō)一些，PEEK和碳纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度很高,因此纖維釋放現(xiàn)象大大減少或沒(méi)有。另外,由于PEEK具有抗蠕變力,PEEK聚合物能夠長(zhǎng)時(shí)間承受相對(duì)大的壓力,不會(huì)隨時(shí)間擴(kuò)展,并且具有良好的纖維-母體界面結(jié)合強(qiáng)度。

8：抗沖擊，熱塑性樹(shù)脂通常為線(xiàn)性分子鏈，因?yàn)轫g性較好，抗沖擊能量高。

9：可回收，熱塑性碳纖維復(fù)合材料具備可直接回收利用的特性?xún)?yōu)點(diǎn)。

10：國(guó)外科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，可植入碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料不僅無(wú)細(xì)胞毒性，還能促進(jìn)骨細(xì)胞的蛋白合成和成骨，用作人工關(guān)節(jié)假體時(shí)呈現(xiàn)出良好的促成骨細(xì)胞增生及粘附能力，碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料與骨的界面結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)于其它人工關(guān)節(jié)材料，臨床應(yīng)用療效明顯優(yōu)于金屬材料產(chǎn)品，能從根本上緩解目前關(guān)節(jié)假體金屬材料由于力學(xué)和生物學(xué)不相容所導(dǎo)致的假體松動(dòng)并發(fā)癥等問(wèn)題。

缺點(diǎn)

1：價(jià)格貴，目前國(guó)內(nèi)的PEEK熱塑性碳纖維復(fù)合材料才剛起步，生產(chǎn)和研發(fā)的成本都比較高。所以材料的價(jià)格也比較昂貴。

2：加工難度大，因?yàn)樘祭w維對(duì)刀具的磨損較大，所以復(fù)合后的材料加工成本較高，加工難度較大。目前碳纖維的復(fù)合材料都存在這個(gè)問(wèn)題。

3：目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的單位少，很難找到合適的采購(gòu)單位

近倆年國(guó)內(nèi)也陸續(xù)有一些單位開(kāi)始開(kāi)發(fā)CF/PEEK熱塑性碳纖維復(fù)合材料，江蘇君華就是其中的一家。目前江蘇君華生產(chǎn)的熱塑性PEEK碳纖維復(fù)合材料，已通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試，被多家國(guó)內(nèi)知名醫(yī)療器械單位用于醫(yī)療加工髓內(nèi)釘器械的瞄準(zhǔn)架。目前驗(yàn)證下來(lái)發(fā)現(xiàn)，熱塑性CF/PEEK碳纖維復(fù)合材料加工的瞄準(zhǔn)架透光性好，強(qiáng)度高，尺寸穩(wěn)性定，100次消殺后依然可以精定位。

 “綜上所述，針對(duì)不同的產(chǎn)品如何選擇不同類(lèi)型的碳纖維復(fù)合材料，應(yīng)該有了初步的理解，希望此篇文章對(duì)您來(lái)說(shuō)有所借鑒?！?/span>