碳纤维填充PEEK的加工成型

碳纤维填充 PEEK（聚醚醚酮）的加工成型需结合材料特性（如高熔点、高粘度、碳纤维分散难度）与目标产品要求，选择合适的工艺。以下是主流加工方法、关键技术要点及应用场景的详细解析：

一、注塑成型（最常用工艺）

原理：通过加热熔融物料，在高压下注入模具型腔成型。
适用场景：大批量生产复杂结构件（如齿轮、轴承、医疗假体）。

关键技术要点

1. 设备要求

• 料筒温度：380~410℃（纯 PEEK 熔点 343℃，碳纤维填充后需更高温度确保熔融）。

• 模具温度：150~200℃（提高结晶度，减少内应力，避免表面毛糙）。

• 温度控制：

• 螺杆设计：需采用高压缩比（1.8:1~2.5:1）、深螺槽螺杆，防止碳纤维过度剪切断裂（建议选用碳化钨或双合金螺杆，耐磨性提升 5 倍以上）。

• 注塑压力：80~150 MPa（高压确保薄壁件填充，如壁厚＜1mm 时需≥120 MPa）。

2. 材料预处理

• 干燥处理：加工前需在 120~150℃下干燥 4~6 小时（含水率＜0.02%），避免高温下水分挥发导致气泡、银纹。

• 碳纤维分散：优先选择预制粒料（碳纤维经双螺杆挤出机均匀分散），避免手工混料导致团聚（团聚易引发应力集中，降低强度约 20%~30%）。

3. 模具设计

• 流道结构：采用短流道、大浇口（如扇形浇口宽度≥5mm），减少熔料流动阻力；避免锐角结构（倒角≥R2），防止碳纤维滞留。

• 排气系统：需设计精密排气槽（深度 0.03~0.05mm），避免高压下气体滞留导致烧焦（碳纤维填充料排气需求比纯 PEEK 高 30%）。

4. 后处理

• 退火处理：成型后在 180~200℃烘箱中保温 2~4 小时（随制件厚度增加），消除内应力，提升尺寸稳定性（如医疗植入物需控制翘曲度＜0.1mm）。

典型缺陷及解决措施

二、挤出成型

原理：通过螺杆挤压使物料通过口模连续成型。
适用场景：棒材、管材、板材等型材生产（如航空航天结构件毛坯、医疗器械导轨）。

关键技术要点

1. 工艺参数

• 温度分布：料筒前段 390~400℃，中段 380~390℃，后段 360~370℃（避免碳纤维在高温下氧化）。

• 牵引速度：0.5~2 m/min（速度过快导致型材内部疏松，建议搭配真空定径套提高致密度）。

• 定型冷却：采用梯度冷却（先在 80~100℃温水槽初步定型，再转入室温冷水槽），减少型材内应力。

2. 模具设计

• 口模粗糙度：内壁抛光至 Ra≤0.2μm，减少碳纤维摩擦损伤（表面粗糙度每增加 0.1μm，型材拉伸强度下降 5%）。

• 压缩比：通常取 4:1~6:1，确保物料均匀压实（压缩比不足易导致层间剥离）。

应用案例

• 航空航天用 PEEK-CF30 棒材：通过挤出 - 热成型工艺制造飞机轻量化支架，比铝合金件减重 40%，强度提升 25%。

• 半导体设备用耐腐蚀管材：挤出成型的 PEEK-CF 管材用于输送腐蚀性药液（如 HF 酸），寿命比不锈钢管延长 3 倍。

三、热压成型（适用于高性能板材 / 复杂构件）

原理：将预浸料（碳纤维布 / 毡浸渍 PEEK 树脂）层叠后，在高温高压下固化成型。
适用场景：航空航天结构件（如卫星天线反射面）、高端工业夹具。

关键技术要点

1. 预浸料制备

• 浸渍工艺：采用热熔法（PEEK 树脂熔融涂覆在碳纤维表面），控制树脂含量 35%~45%（含胶量过高导致板材脆化，过低影响层间结合）。

• 储存条件：预浸料需在室温下密封保存（避免吸潮），保质期通常 6 个月。

2. 热压工艺

• 升温速率：1~3℃/min（快速升温易导致树脂流动不均，建议分段升温：先至 200℃保温 0.5 小时，再升至 380℃）。

• 压力控制：5~15 MPa（根据制品厚度调整，如厚度＞10mm 时需≥10 MPa），保压时间 30~60 分钟。

• 冷却速率：≤5℃/min（缓慢冷却减少内应力，可搭配加压冷却提高致密度）。

优势：纤维取向可控（可通过铺层设计实现各向异性性能），制品纤维体积分数高达 55%~65%，力学性能接近金属。

四、3D 打印（增材制造）

适用工艺：FDM（熔融沉积成型）、SLS（选择性激光烧结）、FFF（熔融长丝制造）。
适用场景：小批量定制件、复杂拓扑结构件（如机器人关节、航空航天原型件）。

关键技术要点

1. FDM 工艺

• 耗材要求：直径 1.75mm 或 2.85mm 的 PEEK-CF filament，碳纤维含量通常 10%~30%（超过 40% 易导致喷嘴堵塞）。

• 设备改造：需配备高温打印头（≥420℃）、加热仓（80~120℃），喷嘴材质为硬化钢或蓝宝石（耐磨抗腐蚀）。

• 支撑结构：使用水溶性支撑材料（如 PVA），避免传统支撑材料难以去除（PEEK-CF 硬度高，机械去除易损伤表面）。

2. SLS 工艺

• 激光参数：功率 50~100 W，扫描速度 500~1000 mm/s，层厚 50~100 μm（需精确控制激光能量，避免碳纤维烧蚀）。

• 后处理：打印件需经热等静压（HIP）处理（150 MPa、380℃保温 1 小时），消除孔隙，提升致密度至 98% 以上。

应用案例

• 医疗领域：3D 打印定制化脊柱融合器，通过 CT 数据建模实现与患者骨结构精准匹配，手术时间缩短 30%。

• 汽车领域：打印电驱动系统轻量化齿轮，采用拓扑优化设计，减重 50% 同时保持传动效率＞95%。

五、加工难点与解决方案

1. 碳纤维分散不均

• 采用母粒法（先制备高浓度碳纤维母粒，再与纯 PEEK 共混），推荐分散助剂（如硅烷偶联剂，添加量 0.5%~1%）。

• 优化挤出机螺杆结构（增加剪切块数量，长径比 L/D≥30:1）。

• 风险：导致制品力学性能波动（如拉伸强度偏差＞15%）、表面缺陷（浮纤、麻点）。

• 解决方案：

2. 高温下的材料降解

• 严格控制加工温度（不超过 410℃），定期清理料筒内壁残留的碳化物料。

• 加工过程中通入氮气保护（氧含量＜500 ppm），抑制氧化反应。

• 风险：温度＞420℃时 PEEK 发生热氧化降解，释放 CO₂、CH₄等气体，导致制品发黄、力学性能下降。

• 解决方案：

3. 模具磨损

• 模具表面涂层处理（如 PVD 镀氮化钛，厚度 3~5μm，表面硬度提升至 2000 HV 以上）。

• 选用马氏体不锈钢（如 420SS）或工具钢（如 H13），并进行淬火处理（硬度≥52 HRC）。

• 风险：碳纤维硬度高（约 2000 HV），注塑模具寿命短（常规钢材模具仅能生产 5000~10000 件）。

• 解决方案：

六、后加工与表面处理

1. 机械加工

• 铣削：切削速度 50~80 m/min，进给量 0.1~0.2 mm / 齿，切深≤2 mm（使用 PCD 刀具，寿命比硬质合金刀具长 10 倍）。

• 钻孔：转速 1000~1500 r/min，进给量 0.05~0.1 mm/r，采用阶梯钻避免出口分层。

• 切削参数：

• 冷却方式：使用压缩空气冷却（避免切削液污染医疗级制品），或水溶性切削液（浓度 5%~8%）。

2. 表面处理

• 激光打标：用于医疗植入物标识（如批号、规格），标记深度 0.01~0.05 mm，不影响生物相容性。

• 涂层处理：如需进一步提升耐磨性，可涂覆二硫化钼（MoS₂）涂层（厚度 1~3μm），摩擦系数降低至 0.05 以下。