碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)因其優(yōu)異的機(jī)械性能、低重量和高耐腐蝕性，在航空航天、汽車制造和醫(yī)療設(shè)備等多個領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。其中，碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮(CF/PEEK)作為一種高性能熱塑性復(fù)合材料，因其獨(dú)特的性能而受到特別關(guān)注。本文將探討CF/PEEK復(fù)合材料與熱固性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(如CF/環(huán)氧樹脂)在拉伸性能方面的差異，重點(diǎn)關(guān)注PEEK基體對材料性能的影響。
材料特性
CF/PEEK復(fù)合材料由碳纖維和聚醚醚酮(PEEK)基體組成。PEEK是一種高性能熱塑性塑料，具有良好的耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。相比之下，熱固性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，如CF/環(huán)氧樹脂，通常采用環(huán)氧樹脂作為基體，具有固化后的高強(qiáng)度和剛性。
PEEK基體對拉伸性能的影響
PEEK基體的特性對于CF/PEEK復(fù)合材料的拉伸性能具有顯著影響。PEEK基體的韌性使得CF/PEEK復(fù)合材料在承受拉伸載荷時能夠更好地分散應(yīng)力，避免應(yīng)力集中，從而減少裂紋的形成和發(fā)展。這種韌性特性與環(huán)氧樹脂基體的脆性形成鮮明對比，后者在承受拉伸載荷時更容易發(fā)生裂紋擴(kuò)展。
應(yīng)變分布與拉伸性能
CF/PEEK復(fù)合材料在拉伸測試過程中表現(xiàn)出沿纖維方向更為均勻的應(yīng)變分布，這主要?dú)w因于PEEK基體的韌性。PEEK基體能夠承受更大的拉伸載荷，使CF/PEEK復(fù)合材料在承受拉伸載荷時表現(xiàn)出更均勻的應(yīng)變分布。相比之下，CF/環(huán)氧樹脂的應(yīng)變分布更為不均勻，反映了基體的脆性性質(zhì)，這可能導(dǎo)致應(yīng)力集中和裂紋快速擴(kuò)展。
斷裂機(jī)制
通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察兩種復(fù)合材料的斷裂表面，可以進(jìn)一步理解其斷裂機(jī)制。CF/PEEK的斷裂表面呈現(xiàn)出較為平滑的形態(tài)，這表明PEEK基體能夠更好地承受拉伸載荷并保持纖維的完整性。相比之下，CF/環(huán)氧樹脂的斷裂表面顯示出更多的基體碎片和纖維拉拔缺陷，表明其界面結(jié)合強(qiáng)度較弱，更容易發(fā)生面內(nèi)復(fù)合損傷。
殘余拉伸強(qiáng)度
CF/PEEK復(fù)合材料展現(xiàn)出顯著更高的殘余拉伸強(qiáng)度，與CF/環(huán)氧樹脂相比，提升幅度在12.05%至63.22%之間。這種性能的提升主要?dú)w因于PEEK基體與碳纖維之間的牢固界面結(jié)合，以及PEEK基體在拉伸過程中發(fā)生的塑性變形能力。這些因素共同作用，減少了纖維的斷裂和脫粘，從而降低了表面損傷，最終提高了材料的整體殘余拉伸強(qiáng)度。
作為國內(nèi)較早起步并持續(xù)開發(fā)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的智上新材料在研究中發(fā)現(xiàn)，只有嚴(yán)格保持連續(xù)碳纖維絲束與PEEK樹脂之間良好的浸潤率，才能有效保證該復(fù)合材料擁有理想的性能特征。
CF/PEEK復(fù)合材料的PEEK基體特性是其在拉伸性能方面優(yōu)于熱固性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的關(guān)鍵因素。PEEK基體的韌性、良好的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性，以及與碳纖維的牢固界面結(jié)合，共同提升了CF/PEEK復(fù)合材料的殘余拉伸強(qiáng)度。其中浸漬結(jié)合是非常關(guān)鍵的地方，國內(nèi)智上新材料科技生產(chǎn)的CF/PEEK制作零部件以后在進(jìn)行產(chǎn)品拉伸斷裂實(shí)驗(yàn)的時候，通過SEM觀察，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的碳纖維絲和聚醚醚酮有較好的粘合作用，內(nèi)部的纖維絲排列正確，斷裂規(guī)整，而PEEK樹脂分布均勻，在進(jìn)行耐蠕變和耐疲勞性上也均遠(yuǎn)超CF/環(huán)氧樹脂材料。這些性能上的優(yōu)勢使得CF/PEEK成為高性能應(yīng)用的理想選擇，特別是在那些需要高強(qiáng)度和可靠性的場合。
未來的研究可以進(jìn)一步探索不同加工條件和纖維取向?qū)F/PEEK復(fù)合材料性能的影響，以及如何優(yōu)化加工條件以最小化損傷并最大化機(jī)械性能。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，CF/PEEK復(fù)合材料有望在更多領(lǐng)域展現(xiàn)其獨(dú)特的優(yōu)勢。
