李三平 楊 正

摘? 要：該文主要介紹碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)熱塑性聚酰亞胺復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚復(fù)合材料這3種典型的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的性能優(yōu)勢，并針對碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在醫(yī)療等民用領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用情況，對比了連續(xù)性碳纖維增強(qiáng)的方式與短切及粉末碳纖維增強(qiáng)方式的效果差異。以連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料骨外科醫(yī)療部件為對象，對其耐磨性、生物相容性、耐高溫性、X光射線透過性能分別加以說明。

關(guān)鍵詞：連續(xù)碳纖維;熱塑;復(fù)合材料;應(yīng)用

中圖分類號：TQ327? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著碳纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料應(yīng)用的日益成熟，碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料也逐步從航空航天領(lǐng)域走向工業(yè)機(jī)械、高端醫(yī)療、軌道交通、電子電器等多種民用領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的熱固性碳纖維復(fù)材相比，熱塑性復(fù)合材料具有高韌性、高抗沖擊和損傷容限、無限預(yù)浸料存儲期、成型周期短、可回收利用、易修復(fù)等顯著特征，具備環(huán)保、高效及高性能優(yōu)勢。該文就分別以碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮、碳纖維增強(qiáng)熱塑性聚酰亞胺、碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚這3種復(fù)合材料介紹碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的性能優(yōu)勢，并結(jié)合生產(chǎn)和應(yīng)用實(shí)際，重點(diǎn)介紹連續(xù)性碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料在骨外科醫(yī)療領(lǐng)域中的性能表現(xiàn)。

1 幾種典型的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的性能優(yōu)勢

1.1 碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮（PEEK）復(fù)合材料的性能優(yōu)勢

聚醚醚酮剛性高、尺寸穩(wěn)定性好、線膨脹系數(shù)小、能承受極大的應(yīng)力，不會由于時間的延長而產(chǎn)生明顯的延伸，而且其密度小，加工性能好，適用于對精細(xì)度要求高的部件。聚醚醚酮本身就是熱塑性樹脂中耐熱性較好的一種，長期的工作溫度甚至能達(dá)到250℃，在這樣的高溫環(huán)境下，其力學(xué)性能基本不受影響。不過，碳纖維材料的加入可以進(jìn)一步提升聚醚醚酮材料的性能，尤其是強(qiáng)度、剛性和耐磨性等方面，對于制品的整體使用壽命也有明顯的延長作用。相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，碳纖維材料的占比在25%～30%時，以聚醚醚酮為基體的復(fù)合材料的耐磨性有顯著提高。另外，使用碳纖維增強(qiáng)的聚醚醚酮復(fù)合材料與傳統(tǒng)的金屬材料相比，至少可以減重70%以上，目前國內(nèi)主要應(yīng)用于骨科醫(yī)療器械，對耐高溫、耐磨性要求較高的高端工業(yè)領(lǐng)域來說也是理想的制作材料。

1.2 碳纖維增強(qiáng)熱塑性聚酰亞胺（TPI）復(fù)合材料的性能優(yōu)勢

熱塑性聚酰亞胺材料在熱穩(wěn)定性、抗沖擊性、抗輻射性和耐溶劑性能等方面都表現(xiàn)突出，在高溫、高低壓和高速等極端環(huán)境下，這種材料展現(xiàn)出優(yōu)異的耐摩擦耐磨損性能。采用碳纖維進(jìn)行增強(qiáng)后，可進(jìn)一步提高這類材料的應(yīng)用性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。實(shí)驗(yàn)證明，碳纖維的加入能顯著提高熱塑性聚酰亞胺的力學(xué)性能，當(dāng)碳纖維的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時，材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度大約為純樹脂的2～3倍。碳纖維的加入也可有效增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料的抗磨性能。由于碳纖維的耐磨性比聚酰亞胺材料更強(qiáng)，所以在實(shí)際應(yīng)用過程中，聚酰亞胺材料會先被磨損掉，碳纖維就會裸露在磨損表面，成為載荷的主要承載者，這在一定程度上能抑制聚酰亞胺基體的進(jìn)一步磨損。碳纖維增強(qiáng)的方式賦予了熱塑性聚酰亞胺以更加出色的耐熱性能和機(jī)械性能，使之成為更高等級的耐磨損、耐腐蝕的高性能材料。

1.3 碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚（PPS）復(fù)合材料的性能優(yōu)勢

聚苯硫醚也是頗受復(fù)合材料行業(yè)青睞的熱塑性樹脂之一，其在力學(xué)性能、耐腐蝕性、自阻燃性等方面都表現(xiàn)優(yōu)異，所以常常被用作各類高性能復(fù)合材料的基體材料。但是，PPS是一種非極性高分子材料，碳纖維與其界面結(jié)合強(qiáng)度不是很好。簡而言之，就是二者熔融黏度較大，纖維的浸漬比較困難。在復(fù)合材料中，基體與纖維的黏結(jié)程度越好，應(yīng)力越能均勻地傳遞到纖維上，材料的拉伸強(qiáng)度也就越高。如果增強(qiáng)體與基體之間的黏結(jié)度差，應(yīng)力就不能得到有效傳遞，易形成應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致材料的拉伸強(qiáng)度下降。因此，在與碳纖維的結(jié)合中，如何處理碳纖維在PPS中的浸漬問題，也就是熔融程度的問題是其技術(shù)關(guān)鍵。通過預(yù)浸化處理及相應(yīng)的模壓工藝，所形成的碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚復(fù)合材料成品，其力學(xué)性能及耐化學(xué)溶劑性都非常理想。和上述2種碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料類似，碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能也受碳纖維含量的影響，在一定閾值下，碳纖維含量越大，承擔(dān)外力載荷的能力也就越強(qiáng)。

2 連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料在骨外科醫(yī)療中的應(yīng)用表現(xiàn)

目前，國內(nèi)對碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用主要集中在醫(yī)療、高精密器械等方面，該文僅根據(jù)無錫智上新材料科技有限公司提供的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮骨外科醫(yī)療部件的應(yīng)用表現(xiàn)做案例性說明。

2.1 連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料的耐磨性

聚醚醚酮材料本身就很耐磨，碳纖維具有“亂層石墨”結(jié)構(gòu)，自身的耐磨性也很優(yōu)異，碳纖維在聚醚醚酮樹脂中的分布狀態(tài)對碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料的耐磨性會有直接的影響，碳纖維分布越均勻，對聚醚醚酮樹脂的包覆性也就越好。因此，采用碳纖維增強(qiáng)的聚醚醚酮復(fù)合材料在耐磨性能方面可謂是“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”。

在復(fù)合材料中使用纖維增強(qiáng)體的原理是：增強(qiáng)纖維一般都比基體材料更耐磨、強(qiáng)度更大，力學(xué)性能也更好，當(dāng)復(fù)合材料面對彎曲或剪切破壞時，增強(qiáng)體纖維就會從基體中拔出，在拔出的同時，也抵消或者吸收了一部分外加載荷帶來的能量。在一定長度范圍內(nèi)，一般纖維越長，拔出時吸收的能量就越多，對復(fù)合材料的強(qiáng)度貢獻(xiàn)越大。而且，對于相同體積含量的復(fù)合材料來說，單根纖維越長就意味著纖維根數(shù)越少，較少的纖維數(shù)量在端部造成的應(yīng)力集中也就會相應(yīng)降低，這對復(fù)合材料的整體性能都有積極作用。另外，有研究顯示，連續(xù)性、更長的碳纖維可以提供更多的潤滑作用，在這種持續(xù)、穩(wěn)定的潤滑作用下，摩擦系數(shù)就會減小，磨損量變小，所形成的磨屑也更為細(xì)微。

相比國內(nèi)較為常見的短切碳纖維或碳纖維粉末增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料產(chǎn)品，無錫智上新材料科技有限公司推出的采用連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料制作的產(chǎn)品，其將短切或粉末碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的性能提升了一大步。這種優(yōu)勢有利于制品在高頻率、高載荷運(yùn)行中提供更穩(wěn)定、更堅(jiān)固的功效。

2.2 連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料的生物相容性

碳纖維材料作為醫(yī)療器械本身無毒性，按照醫(yī)療器械生物學(xué)評價的標(biāo)準(zhǔn)，采用細(xì)胞毒性試驗(yàn)測定材料浸提液是否會引起細(xì)胞溶解、生長抑制和細(xì)胞其他方面的影響;采用遲發(fā)型超敏反應(yīng)試驗(yàn)評價材料浸提液是否具有潛在的接觸過敏性;采用皮內(nèi)刺激試驗(yàn)評價組織對材料浸提液是否有局部刺激反應(yīng);采用急性全身毒性試驗(yàn)評估在動物模型中24 h內(nèi)一次或多次接觸醫(yī)療器械潛在的危害作用。試驗(yàn)結(jié)果表明，碳纖維材料均無細(xì)胞毒性和急性全身毒性，對豚鼠均無遲發(fā)型致敏作用，對皮膚均無刺激作用。

采用連續(xù)碳纖維作為增強(qiáng)體，選用食品級的聚醚醚酮樹脂作為基體材料，形成的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料也經(jīng)過相關(guān)的體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)證明，不僅無細(xì)胞毒性，還能促進(jìn)骨細(xì)胞的蛋白合成和成骨，用作人工關(guān)節(jié)假體時還能呈現(xiàn)出良好的促成骨細(xì)胞增生及黏附能力。碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料與骨的界面結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)于其他人工關(guān)節(jié)材料，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，較為成熟的應(yīng)用形式有腰椎融合器、接骨板等。

2.3 碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料的耐高溫性

一般說來，高溫蒸汽所帶來的水分子會影響到復(fù)合材料的性能，因?yàn)?，水分子進(jìn)入復(fù)合材料中，會使基體和纖維間的結(jié)合度下降，當(dāng)這種結(jié)合度下降到一定程度時，界面間就會產(chǎn)生脫黏現(xiàn)象，這種脫黏不僅會造成部分纖維被拔出，而且會降低纖維和基體間的應(yīng)力傳遞，導(dǎo)致復(fù)合材料強(qiáng)度的下降。而且，高溫下水分子運(yùn)動加快，同時復(fù)合材料中樹脂基體的鏈段松弛運(yùn)動也加快，水分子滲透進(jìn)入復(fù)合材料的內(nèi)部的速度也將加快，最終導(dǎo)致高溫下復(fù)合材料的性能更低。但是，當(dāng)熱水、蒸汽、溶劑和化學(xué)試劑等各項(xiàng)指標(biāo)都處于一定范圍內(nèi)時，具有較好耐濕熱能力的聚醚醚酮材料仍能保持較高的機(jī)械強(qiáng)度和水解穩(wěn)定性。因此，用連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的聚醚醚酮復(fù)合材料制作的骨科瞄準(zhǔn)器、外固定支架等適用于醫(yī)院常規(guī)的器械消毒過程，例如蒸汽高溫滅菌。經(jīng)過嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)證明，只有超過1小時以上的120℃以上的高溫蒸汽才會在極微小的程度上對材料的彎曲和剪切強(qiáng)度產(chǎn)生影響，而15min-20min分鐘的常規(guī)高溫滅菌并不會對這種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)peek復(fù)合材料的醫(yī)療器械產(chǎn)生任何性能上的消極影響，這也是大多數(shù)金屬類材質(zhì)無法比擬的。

2.4 連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料的X光透過性

碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料、不銹鋼、硬鋁合金材質(zhì)，這3種骨外醫(yī)療器械相比，在X光片上所呈現(xiàn)的影像差別很大，不銹鋼、鋁合金的骨外固定醫(yī)療部件的影像在X光片上明顯可見，而碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料在X射線下卻沒有干擾視覺的可能性。碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料的材質(zhì)所體現(xiàn)出的優(yōu)越X射線穿透能力，主要得益于碳原子序數(shù)較低，射線對其作用效果與人體相當(dāng)。因此，在放射性定位診斷過程中，碳纖維對圖像質(zhì)量影響很小，不僅在二維影像中不形成遮擋障礙，在三維影像中，也不會在其周圍產(chǎn)生偽影。在臨床上，碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮的這種X光穿透性有利于醫(yī)生能夠更好地進(jìn)行骨折的整復(fù)治療，也便于其更清晰地觀察到病灶的愈合情況。

目前，這類連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性聚醚醚酮復(fù)合材料主要用于骨外科醫(yī)療部件，主要包括骨外科固定支架、骨外科瞄準(zhǔn)器和骨外科瞄準(zhǔn)器支架等。這類材料過去都是依靠進(jìn)口，現(xiàn)在無錫智上新材料科技有限公司通過自主研發(fā)，采用國產(chǎn)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料預(yù)浸料為原材料，使這種熱塑性碳纖維制品的成品價格降低了1∕3，這為碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在更大范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用做出了良好鋪墊。

3 結(jié)語

總之， 采用連續(xù)碳纖維作為增強(qiáng)體將成為多種熱塑性復(fù)合材料提升性能的途徑之一，雖然國內(nèi)對該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用尚處于起步階段，但隨著連續(xù)性碳纖維增強(qiáng)熱塑性預(yù)浸料的國產(chǎn)化以及醫(yī)療、精密儀器設(shè)備、高端工業(yè)制造等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芟冗M(jìn)復(fù)合材料需求的不斷擴(kuò)大，多種類不同功能的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料制品也將不斷涌現(xiàn)。

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