PEEK-композиты: как волокна улучшают прочность и долговечность

Наука о материалах, как одна из ключевых областей современной технологии, развивалась вместе с человеческой цивилизацией и демонстрирует удивительную жизнеспособность в условиях сегодняшней технологической революции. Полимерные материалы, как важная составляющая современной науки о материалах, эволюционировали от традиционных пластиков до высокоэффективных, легких и интеллектуальных материалов. С развитием технологий в Китае спрос на высокоэффективные полимерные материалы значительно вырос. Среди них полиарилэфиркетоны (PAEKs) привлекают внимание благодаря своей отличной термостойкости и механическим свойствам.

1. Политетрафторэфиркетон (PEEK) смола

Политетрафторэфиркетон (PEEK) — это частично кристаллический ароматический термопластичный полимер и наиболее выдающийся представитель семейства PAEK. Его молекулярная цепь состоит из повторяющихся эфиров (-O-) и кетонных (-CO-) групп. PEEK демонстрирует исключительную износостойкость, устойчивость к кислотам, щелочам, органическим растворителям и высоким температурам, что делает его широко применимым в аэрокосмической отрасли, медицинских устройствах, автомобильной промышленности и других сферах.

С развитием промышленности увеличилось количество методов композитной обработки и модификации PEEK. Наиболее распространённым является армирование волокнами.

Армированный волокнами PEEK делится на PEEK с коротким волокном, длинным волокном и непрерывным волокном. Благодаря простоте формования и легкости обработки, PEEK с коротким волокном используется наиболее широко. Для армирования PEEK применяются углеродные волокна (CF) и стеклянные волокна (GF).

2. Теоретические механизмы армированного PEEK

Научные исследования указывают на несколько ключевых аспектов:

• Волокна обладают высоким модулем упругости и прочностью, значительно улучшая механические свойства композитов.

• Обычно прочность на растяжение PEEK составляет около 100 МПа, а модуль упругости — 3,6 ГПа. Для сравнения, углеволокно (CF) имеет прочность 3500–6000 МПа и модуль 230–600 ГПа, а стекловолокно (GF) — 3100–3800 МПа и модуль 72,5–75,5 ГПа.

Так как прочность и модуль волокон значительно выше, чем у матрицы PEEK, свойства композитов находятся между характеристиками волокон и матрицы, усиливая PEEK.

2.1 Передача напряжений

Волокна усиливают общую прочность и модуль композита, передавая внешние нагрузки через межфазные взаимодействия с матрицей. Поэтому прочная адгезия между волокнами и матрицей PEEK является критически важной.

Исследования доктора Ли Фэйяна из ARKPEEK показали, что углеволокна обеспечивают более высокую жесткость, а стекловолокна — большую пластичность. Анализ SEM показал наличие шероховатых поверхностей на вырванных волокнах, что указывает на усиленное межфазное взаимодействие.

Эффективность передачи напряжений напрямую зависит от структуры транскристаллитов PEEK на поверхности CF. Более высокая кристалличность и крупнозернистая структура обеспечивают более прочное связывание.

2.2 Эффекты кристаллизации

Исследования Фан Ейлин (ARKPEEK) показали, что углеволокна обладают сильной способностью к нуклеации и формируют транскристаллические слои при высоких температурах кристаллизации.

2.3 Оптимизация интерфейса

Для CF окисление увеличивает шероховатость поверхности и способствует образованию водородных связей с PEEK. Для промышленных систем CF/PEEK выбор совместимых аппретов улучшает адгезию.

3. Заключение

Волокна значительно повышают прочность на растяжение и модуль изгиба PEEK. Однако межфазные эффекты требуют тщательного контроля. Армированные волокнами системы PEEK обладают огромным потенциалом для дальнейших исследований и применения.