CF/PEEK碳纖維復(fù)合材料和傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用差異
碳纖維復(fù)合材料自20世紀50年代被開發(fā)出來之后拢杠,因其優(yōu)異的性能在航空航天領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用曙辛。隨著人類對碳纖維復(fù)合材料研究的不斷深入和完善夏植,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)用于航天移鸣、醫(yī)療砸捏、汽車、建筑隙赁、體育用品等領(lǐng)域垦藏。
目前市面上的碳纖維復(fù)合材料主要有兩大類:一類是熱固性碳纖維復(fù)合材料,以環(huán)氧熱固性碳纖維復(fù)合材料為代表伞访,另一類是熱塑性碳纖維復(fù)合材料,以CF/PEEK為代表掂骏。根據(jù)碳纖維布編織紋理又可分為平紋、斜紋厚掷、緞紋以及單向等多種復(fù)合材料弟灼。
圖1 碳纖維布編織紋理形式(從左往右依次為:平紋、斜紋冒黑、緞紋袜爪、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薛闪,一些特殊行業(yè)會用到單向編織辛馆。目前主要應(yīng)用于汽車及其他工業(yè)方面。碳纖維含量正常是在60%-70%豁延,其余30%-40%是環(huán)氧樹脂膠昙篙。成品的密度一般 1.7g/cm3左右。
優(yōu)點
1:強度高写掖,因為其碳纖維含量高達60%-70%揖岔,所以材料的剛性特別強。其部分力學(xué)性能完全優(yōu)于鋁合金侥淤。
2:質(zhì)量輕,相對于鋁合金可以減重40%文荚,相對于不銹鋼可以減重78%。
3:透X光或侥,碳纖維本身具有良好的透X光性能衬械,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)定哺裳,除了使用碳纖維布外辙霎,環(huán)氧樹脂固化后本身常溫下變形性小,所以材料的穩(wěn)定性較好坛饥,加工后不會出現(xiàn)明顯變形淋憋。
缺點
1:脆性大,因為環(huán)氧樹脂本身剛性基團多吴澜,而柔韌性基團少桃序,交聯(lián)固化后成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)杖虾,導(dǎo)致產(chǎn)品的脆性大,不耐沖擊媒熊,加工時容易崩口奇适,開裂甚至分層。所以不適合用于加工一些骨科的醫(yī)療器械產(chǎn)品泛释。
(上圖為環(huán)氧熱固性碳纖維復(fù)合材料的器械在使用過程中出現(xiàn)開裂)
2:耐濕熱水解性差滤愕,環(huán)氧型在成型時很難保證樹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怜校。所以環(huán)氧型碳纖維復(fù)合材料间影,不要反復(fù)使用。
3:耐溫性相對熱塑性碳纖維復(fù)合材料較低茄茁,碳纖維材料本身可以耐受上千攝氏度的高溫魂贬,但是常規(guī)的環(huán)氧樹脂正常能耐受的溫度只有150℃,超過200℃環(huán)氧樹脂就有出煙的現(xiàn)象裙顽,300℃基本上就開始碳化付燥。
4:難加工,因為碳纖維本身對刀具有很大的磨損颅网,所以對于碳纖維的精密零件段卵,很難加工,同時加工的粉末進入機床導(dǎo)軌后會磨損絲桿翎憨,影響機床的加工精度荤榄。
5:環(huán)氧樹脂與碳纖維結(jié)合強度不好,磨損后會有黑色粉末顆粒產(chǎn)生磨再。
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借倘,緞紋的紋路之間間隙大,有錯層間隙更有利于PEEK膠料的浸漬或者浸潤莉遥。PEEK材料的流動性不好枣象,冷卻固化速度快。所以碳纖維復(fù)合材料的浸潤難度要遠遠高于環(huán)氧型碳纖維復(fù)合材料灶逃。PEEK的熱塑性復(fù)合材料一般碳纖維占比50~ 60%之間舶舅。密度一般為1.56g/cm3左右。PEEK本身作為特種高性能工程塑料缩铸,具有很多普通材料不具備的性能優(yōu)點俭谨,如高強度,耐高溫径筏,自潤滑,耐水解障陶,耐腐蝕等等滋恬。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)合材料聊训,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題恢氯。因PEEK本身價格比較昂貴带斑,工藝成型難度大,所以目前PEEK熱塑性復(fù)合材料的價格也比較昂貴勋拟。目前主要廣泛應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)勋磕。
優(yōu)點
1:強度高,PEEK本身就是一種高強度的工程塑料敢靡,所以在PEEK和碳纖維復(fù)合之后挂滓,復(fù)合材料的部分力學(xué)性能已經(jīng)超過普通金屬的力學(xué)性能,如鋁合金啸胧。
2:質(zhì)量輕,相對于鋁合金只有其重量的1/2赶站,相對于不銹鋼只有其重量的1/5。
3:透X光鲫础,PEEK和碳纖維本身都具有良好的透X光性能惕秧,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)定嫉卵,因為材料采用的是編織的碳纖維布來加工的的炫,所以材料的穩(wěn)定性較好,加工后不會出現(xiàn)變形移卢。
5:耐高溫,PEEK的耐溫性遠遠超過環(huán)氧樹脂蜕裳,可以在260℃長時間使用。復(fù)合之后可以耐受反復(fù)不變形椅勿。
6:耐腐蝕艳院,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材料扯际,復(fù)合過程中一般不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)颠恬,復(fù)合后,PEEK對碳纖維又形成了一層包覆注芯,使復(fù)合之后材料的耐腐性能更加出眾憾汛。
7:層間結(jié)合強度好,江蘇君華生產(chǎn)的PEEK碳纖維復(fù)合材料不易分層肝陪。熱塑性在模壓成型時驳庭,熔融后結(jié)合到一體的結(jié)合強度高。所以不易分層氯窍。從PEEK與碳纖維結(jié)合角度說一些饲常,PEEK和碳纖維之間的結(jié)合強度很高,因此纖維釋放現(xiàn)象大大減少或沒有。另外,由于PEEK具有抗蠕變力,PEEK聚合物能夠長時間承受相對大的壓力,不會隨時間擴展,并且具有良好的纖維-母體界面結(jié)合強度狼讨。
8:抗沖擊贝淤,熱塑性樹脂通常為線性分子鏈柒竞,因為韌性較好,抗沖擊能量高播聪。
9:可回收朽基,熱塑性碳纖維復(fù)合材料具備可直接回收利用的特性優(yōu)點。
10:國外科學(xué)實驗證明离陶,可植入碳纖維增強聚醚醚酮復(fù)合材料不僅無細胞毒性稼虎,還能促進骨細胞的蛋白合成和成骨,用作人工關(guān)節(jié)假體時呈現(xiàn)出良好的促成骨細胞增生及粘附能力招刨,碳纖維增強聚醚醚酮復(fù)合材料與骨的界面結(jié)合強度優(yōu)于其它人工關(guān)節(jié)材料敬挂,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)致的假體松動并發(fā)癥等問題涉捂。
缺點
1:價格貴奄刊,目前國內(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)的成本都比較高渣冒。所以材料的價格也比較昂貴饱粟。
2:加工難度大,因為碳纖維對刀具的磨損較大琅瘦,所以復(fù)合后的材料加工成本較高掖阶,加工難度較大。目前碳纖維的復(fù)合材料都存在這個問題乌诚。
3:目前國內(nèi)生產(chǎn)的單位少炮疲,很難找到合適的采購單位
近倆年國內(nèi)也陸續(xù)有一些單位開始開發(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蜒午。目前江蘇君華生產(chǎn)的熱塑性PEEK碳纖維復(fù)合材料虎叔,已通過力學(xué)性能測試,被多家國內(nèi)知名醫(yī)療器械單位用于醫(yī)療加工髓內(nèi)釘器械的瞄準架截胯。目前驗證下來發(fā)現(xiàn)铺坞,熱塑性CF/PEEK碳纖維復(fù)合材料加工的瞄準架透光性好,強度高洲胖,尺寸穩(wěn)性定济榨,100次消殺后依然可以精定位。
“綜上所述绿映,針對不同的產(chǎn)品如何選擇不同類型的碳纖維復(fù)合材料擒滑,應(yīng)該有了初步的理解,希望此篇文章對您來說有所借鑒叉弦∝ひ唬”