连续碳纤维增强热塑性复合材料的性能优势及应用举例
李三平 杨 正
摘? 要：该文主要介绍碳纤维增强聚醚醚酮复合材料、碳纤维增强热塑性聚酰亚胺复合材料、碳纤维增强聚苯硫醚复合材料这3种典型的碳纤维增强热塑性复合材料的性能优势，并针对碳纤维增强热塑性复合材料在医疗等民用领域的实际应用情况，对比了连续性碳纤维增强的方式与短切及粉末碳纤维增强方式的效果差异。以连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料骨外科医疗部件为对象，对其耐磨性、生物相容性、耐高温性、X光射线透过性能分别加以说明。
关键词：连续碳纤维;热塑;复合材料;应用
中图分类号：TQ327? ? 文献标志码：A
随着碳纤维增强热固性复合材料应用的日益成熟，碳纤维增强热塑性复合材料也逐步从航空航天领域走向工业机械、高端医疗、轨道交通、电子电器等多种民用领域。与传统的热固性碳纤维复材相比，热塑性复合材料具有高韧性、高抗冲击和损伤容限、无限预浸料存储期、成型周期短、可回收利用、易修复等显著特征，具备环保、高效及高性能优势。该文就分别以碳纤维增强聚醚醚酮、碳纤维增强热塑性聚酰亚胺、碳纤维增强聚苯硫醚这3种复合材料介绍碳纤维增强热塑性复合材料的性能优势，并结合生产和应用实际，重点介绍连续性碳纤维增强聚醚醚酮复合材料在骨外科医疗领域中的性能表现。
1 几种典型的碳纤维增强热塑性复合材料的性能优势
1.1 碳纤维增强聚醚醚酮（PEEK）复合材料的性能优势
聚醚醚酮刚性高、尺寸稳定性好、线膨胀系数小、能承受极大的应力，不会由于时间的延长而产生明显的延伸，而且其密度小，加工性能好，适用于对精细度要求高的部件。聚醚醚酮本身就是热塑性树脂中耐热性较好的一种，长期的工作温度甚至能达到250℃，在这样的高温环境下，其力学性能基本不受影响。不过，碳纤维材料的加入可以进一步提升聚醚醚酮材料的性能，尤其是强度、刚性和耐磨性等方面，对于制品的整体使用寿命也有明显的延长作用。相关实验证明，碳纤维材料的占比在25%～30%时，以聚醚醚酮为基体的复合材料的耐磨性有显著提高。另外，使用碳纤维增强的聚醚醚酮复合材料与传统的金属材料相比，至少可以减重70%以上，目前国内主要应用于骨科医疗器械，对耐高温、耐磨性要求较高的高端工业领域来说也是理想的制作材料。
1.2 碳纤维增强热塑性聚酰亚胺（TPI）复合材料的性能优势
热塑性聚酰亚胺材料在热稳定性、抗冲击性、抗辐射性和耐溶剂性能等方面都表现突出，在高温、高低压和高速等极端环境下，这种材料展现出优异的耐摩擦耐磨损性能。采用碳纤维进行增强后，可进一步提高这类材料的应用性能，扩大其应用范围。实验证明，碳纤维的加入能显著提高热塑性聚酰亚胺的力学性能，当碳纤维的体积分数达到30%时，材料的拉伸和弯曲强度大约为纯树脂的2～3倍。碳纤维的加入也可有效增强聚酰亚胺复合材料的抗磨性能。由于碳纤维的耐磨性比聚酰亚胺材料更强，所以在实际应用过程中，聚酰亚胺材料会先被磨损掉，碳纤维就会裸露在磨损表面，成为载荷的主要承载者，这在一定程度上能抑制聚酰亚胺基体的进一步磨损。碳纤维增强的方式赋予了热塑性聚酰亚胺以更加出色的耐热性能和机械性能，使之成为更高等级的耐磨损、耐腐蚀的高性能材料。
1.3 碳纤维增强聚苯硫醚（PPS）复合材料的性能优势
聚苯硫醚也是颇受复合材料行业青睐的热塑性树脂之一，其在力学性能、耐腐蚀性、自阻燃性等方面都表现优异，所以常常被用作各类高性能复合材料的基体材料。但是，PPS是一种非极性高分子材料，碳纤维与其界面结合强度不是很好。简而言之，就是二者熔融黏度较大，纤维的浸渍比较困难。在复合材料中，基体与纤维的黏结程度越好，应力越能均匀地传递到纤维上，材料的拉伸强度也就越高。如果增强体与基体之间的黏结度差，应力就不能得到有效传递，易形成应力集中，从而导致材料的拉伸强度下降。因此，在与碳纤维的结合中，如何处理碳纤维在PPS中的浸渍问题，也就是熔融程度的问题是其技术关键。通过预浸化处理及相应的模压工艺，所形成的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料成品，其力学性能及耐化学溶剂性都非常理想。和上述2种碳纤维增强热塑性复合材料类似，碳纤维增强聚苯硫醚复合材料的各项力学性能也受碳纤维含量的影响，在一定阈值下，碳纤维含量越大，承担外力载荷的能力也就越强。
2 连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料在骨外科医疗中的应用表现
目前，国内对碳纤维增强热塑性复合材料的应用主要集中在医疗、高精密器械等方面，该文仅根据无锡智上新材料科技有限公司提供的连续碳纤维增强聚醚醚酮骨外科医疗部件的应用表现做案例性说明。
2.1 连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的耐磨性
聚醚醚酮材料本身就很耐磨，碳纤维具有“乱层石墨”结构，自身的耐磨性也很优异，碳纤维在聚醚醚酮树脂中的分布状态对碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的耐磨性会有直接的影响，碳纤维分布越均匀，对聚醚醚酮树脂的包覆性也就越好。因此，采用碳纤维增强的聚醚醚酮复合材料在耐磨性能方面可谓是“强强联合”。
在复合材料中使用纤维增强体的原理是：增强纤维一般都比基体材料更耐磨、强度更大，力学性能也更好，当复合材料面对弯曲或剪切破坏时，增强体纤维就会从基体中拔出，在拔出的同时，也抵消或者吸收了一部分外加载荷带来的能量。在一定长度范围内，一般纤维越长，拔出时吸收的能量就越多，对复合材料的强度贡献越大。而且，对于相同体积含量的复合材料来说，单根纤维越长就意味着纤维根数越少，较少的纤维数量在端部造成的应力集中也就会相应降低，这对复合材料的整体性能都有积极作用。另外，有研究显示，连续性、更长的碳纤维可以提供更多的润滑作用，在這种持续、稳定的润滑作用下，摩擦系数就会减小，磨损量变小，所形成的磨屑也更为细微。
相比国内较为常见的短切碳纤维或碳纤维粉末增强聚醚醚酮复合材料产品，无锡智上新材料科技有限公司推出的采用连续碳纤维增强热塑性复合材料制作的产品，其将短切或粉末碳纤维增强热塑性复合材料的性能提升了一大步。这种优势有利于制品在高频率、高载荷运行中提供更稳定、更坚固的功效。
2.2 连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的生物相容性
碳纤维材料作为医疗器械本身无毒性，按照医疗器械生物学评价的标准，采用细胞毒性试验测定材料浸提液是否会引起细胞溶解、生长抑制和细胞其他方面的影响;采用迟发型超敏反应试验评价材料浸提液是否具有潜在的接触过敏性;采用皮内刺激试验评价组织对材料浸提液是否有局部刺激反应;采用急性全身毒性试验评估在动物模型中24 h内一次或多次接触医疗器械潜在的危害作用。试验结果表明，碳纤维材料均无细胞毒性和急性全身毒性，对豚鼠均无迟发型致敏作用，对皮肤均无刺激作用。
采用连续碳纤维作为增强体，选用食品级的聚醚醚酮树脂作为基体材料，形成的连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料也经过相关的体内体外实验证明，不仅无细胞毒性，还能促进骨细胞的蛋白合成和成骨，用作人工关节假体时还能呈现出良好的促成骨细胞增生及黏附能力。碳纤维增强聚醚醚酮复合材料与骨的界面结合强度优于其他人工关节材料，临床应用疗效明显优于金属材料产品，能从根本上缓解目前关节假体金属材料由于力学和生物学不相容所导致的假体松动并发症等问题，较为成熟的应用形式有腰椎融合器、接骨板等。
2.3 碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的耐高温性
一般说来，高温蒸汽所带来的水分子会影响到复合材料的性能，因为，水分子进入复合材料中，会使基体和纤维间的结合度下降，當这种结合度下降到一定程度时，界面间就会产生脱黏现象，这种脱黏不仅会造成部分纤维被拔出，而且会降低纤维和基体间的应力传递，导致复合材料强度的下降。而且，高温下水分子运动加快，同时复合材料中树脂基体的链段松弛运动也加快，水分子渗透进入复合材料的内部的速度也将加快，最终导致高温下复合材料的性能更低。但是，当热水、蒸汽、溶剂和化学试剂等各项指标都处于一定范围内时，具有较好耐湿热能力的聚醚醚酮材料仍能保持较高的机械强度和水解稳定性。因此，用连续碳纤维增强的聚醚醚酮复合材料制作的骨科瞄准器、外固定支架等适用于医院常规的器械消毒过程，例如蒸汽高温灭菌。经过严格实验证明，只有超过1小时以上的120℃以上的高温蒸汽才会在极微小的程度上对材料的弯曲和剪切强度产生影响，而15min-20min分钟的常规高温灭菌并不会对这种连续碳纤维增强peek复合材料的医疗器械产生任何性能上的消极影响，这也是大多数金属类材质无法比拟的。
2.4 连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的X光透过性
碳纤维增强聚醚醚酮复合材料、不锈钢、硬铝合金材质，这3种骨外医疗器械相比，在X光片上所呈现的影像差别很大，不锈钢、铝合金的骨外固定医疗部件的影像在X光片上明显可见，而碳纤维增强聚醚醚酮复合材料在X射线下却没有干扰视觉的可能性。碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的材质所体现出的优越X射线穿透能力，主要得益于碳原子序数较低，射线对其作用效果与人体相当。因此，在放射性定位诊断过程中，碳纤维对图像质量影响很小，不仅在二维影像中不形成遮挡障碍，在三维影像中，也不会在其周围产生伪影。在临床上，碳纤维增强聚醚醚酮的这种X光穿透性有利于医生能够更好地进行骨折的整复治疗，也便于其更清晰地观察到病灶的愈合情况。
目前，这类连续碳纤维增强热塑性聚醚醚酮复合材料主要用于骨外科医疗部件，主要包括骨外科固定支架、骨外科瞄准器和骨外科瞄准器支架等。这类材料过去都是依靠进口，现在无锡智上新材料科技有限公司通过自主研发，采用国产连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料预浸料为原材料，使这种热塑性碳纤维制品的成品价格降低了1∕3，这为碳纤维增强热塑性复合材料在更大范围内的推广应用做出了良好铺垫。
3 结语
总之， 采用连续碳纤维作为增强体将成为多种热塑性复合材料提升性能的途径之一，虽然国内对该领域的研究和应用尚处于起步阶段，但随着连续性碳纤维增强热塑性预浸料的国产化以及医疗、精密仪器设备、高端工业制造等领域对高性能先进复合材料需求的不断扩大，多种类不同功能的连续碳纤维增强热塑性复合材料制品也将不断涌现。
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