碳纤维peek增强复合材料的力学性能研究分析

  金属、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和陶瓷被广泛用作人工关节置换材料。然而,这些传统的材料都存在一个重要的问题,其力学强度与自然骨不匹配。PEEK具有优良的性能,如良好的生物相容性、生物力学和生物摩擦学性能,其被广泛用作生物材料。然而,PEEK的生物力学性能需要进步提高。

  目前,提高PEEK性能的一个有效的手段是使用CF增强,CF具有高强度、高模量、低密度,耐高温、热膨胀系数小、热导率高、摩擦系数小、导电性好等突出特点。CF/PEEK复合材料具有良好的生物力学性能,且与自然骨相匹配的模量。因此,CF/PEEK 复合材料被广泛应用于创伤、骨科、脊柱植入物和骨替代材料。

  将不同质量比例(0,5 wt%,10 wt%,15 wt%,20 wt%,25 wt%,30 wt%)的CF与PEEK粉末混合均匀经干燥后放入圆柱体模具中,在模压成型机上进行热压成柱状体。CF/PEEK复合材料板材的制备工艺流程与CF/PEEK复合材料柱状体的制备工艺流程基本相似。

  在碳纤维较低时,随着碳纤维含量的增加,拉伸力学性能基本上呈现增加的趋势,随着碳纤维含量的进步增加到30wt%,拉伸力学性能呈现下降的趋势。退火处理在碳纤维含量较低时增加了CF/PEEK复合材料的拉伸力学性能,在高碳纤维含量时,对拉伸力学性能起到负面的影响。拉伸力学的变化规律主要是由于在CF含量较低时,当复合材料受到外界载荷,外力能有效的传递给增强体,从而起到增强的作用,随若CF含量的进步增加,CF表面能较大,易发生团聚,从而导致应力不能有效的传递,拉伸力学性能下降。

  当CF含量增加为5wt%时,压缩力学性能下降,随着CF含量的含量的增加,CF/PEEK 复合材料的压缩力学性能先增加后下降。当CF含量较低时,外界载荷主要由PEEK承担,随着5wt% CF含量的加入,承担载荷的基体材料减少,导致复合材料的压缩性能下降:随着CF含量的增加,外界载荷主要由CF承担,压缩性能增加,当CF含量进一步增加,CF出现团聚现象,载荷不能通过基体有效的传递给增强体,压缩性能下降。

  经实验得知:通过热压成型方法制备出CF/PEEK复合材料,其拉伸力学性能随着CF含量的增加先增加后下降。CF 含量较低时,退火处理增加复合材料的拉伸力学性能,在高CF含量时,退火处理对拉伸力学性能产生负面影响。CF/PEEK复合材料的压缩性能随着CF含量的增加先上升后下降。