PEEK碳纤特氟龙增强的加工成型

PEEK 碳纤特氟龙（PTFE）增强复合材料的加工成型需兼顾三种组分的特性：PEEK 基体的耐高温性、碳纤维的高强度与高硬度、PTFE 的低摩擦与低流动性。三者的协同作用虽提升了材料性能，但也对加工工艺提出了更高要求（如更高温度、更强耐磨性、更优流动性控制）。以下是其主要加工成型方式及关键要点：

一、注塑成型：适合批量复杂部件

注塑成型是该复合材料规模化生产的主要方式，尤其适用于轴承、齿轮、密封件等结构规整的部件。但因碳纤维和 PTFE 对流动性的负面影响，需针对性优化工艺参数。

工艺核心参数

• 原料预处理：
  复合材料易吸潮（PEEK 吸水率约 0.5%），需在120-150℃下真空干燥 4-8 小时（水分含量需≤0.02%），否则高温下会发生水解，导致力学性能下降或表面出现气泡。

• 温度控制：

• 料筒温度：因碳纤维增加熔体粘度，需高于纯 PEEK（360-400℃），通常设定为400-420℃（具体取决于纤维含量：20% 碳纤维 + 10% PTFE 需 400-410℃；30% 碳纤维 + 15% PTFE 需 410-420℃）。温度过高（＞430℃）会导致 PEEK 降解（释放有毒气体），需严格监控。

• 模具温度：需维持在160-200℃（高于纯 PEEK 的 140-180℃），目的是：① 促进 PEEK 结晶（减少内应力）；② 改善熔体流动性（补偿碳纤维和 PTFE 导致的流动阻力）。

• 注射参数：

• 注射压力：因流动性差，需提高至120-180MPa（纯 PEEK 约 80-150MPa），确保熔体充满模具型腔（尤其薄壁或复杂结构）。

• 注射速度：中等速度（30-60mm/s）为宜，过快易导致纤维断裂（降低增强效果），过慢则熔体冷却过快造成填充不足。

• 保压时间：延长至 5-10 秒（纯 PEEK 约 3-5 秒），减少因结晶收缩导致的翘曲或凹陷。

• 模具设计：

• 流道和浇口需放大（比纯 PEEK 大 20-30%），避免熔体在流道内冷却凝固；优先采用圆形流道（减少流动阻力）。

• 对于异形结构（如带孔、凹槽部件），需设置排气槽（深度 0.02-0.05mm），排出碳纤维与熔体混合产生的气体，防止表面出现烧焦或缺料。

常见问题与解决

• 表面粗糙 / 纤维外露：因流动性不足，熔体未充分填充模具表面。解决方案：提高料筒温度 5-10℃，或增大注射压力 10-20MPa。

• 纤维断裂：螺杆转速过高（剪切力过大）导致碳纤维被剪断，降低力学性能。解决方案：降低螺杆转速至 50-80rpm（纯 PEEK 通常 80-120rpm）。

• 翘曲变形：模具温度不均或冷却速度过快。解决方案：优化模具温控（各区域温差≤5℃），延长冷却时间至 15-30 秒。

二、机加工（切削加工）：适合高精度、小批量部件

机加工是该复合材料精密成型的关键方式，尤其适用于轴承套、泵叶轮等对尺寸精度（±0.01mm）要求高的部件。但碳纤维的高硬度（莫氏硬度 3-4）和 PTFE 的黏附性，会显著加剧刀具磨损并影响加工表面质量。

工艺核心要点

• 刀具选择：

• 需使用超硬刀具：首选金刚石涂层硬质合金（PCD）或立方氮化硼（CBN）刀具（耐磨性是普通硬质合金的 5-10 倍），避免高速钢刀具（磨损过快，无法保证精度）。

• 刀具几何参数：采用大前角（10°-15°）和小后角（5°-8°），减少切削阻力；刃口需锋利（避免挤压纤维导致表面起毛）。

• 切削参数：

• 切削速度：因材料导热性差（约 0.2-0.3W/(m・K)，仅为钢的 1/50），易积热导致 PEEK 熔融，需控制在30-80m/min（低于纯 PEEK 的 50-150m/min）。

• 进给量：0.05-0.15mm/r（中等进给，避免进给过快导致纤维断裂或刀具崩刃）。

• 冷却方式：必须使用油性冷却剂（如合成切削油），避免水溶性冷却液（会导致 PTFE 溶胀，影响表面质量）；冷却需充分（高压喷射，直达切削区），防止局部温度超过 343℃（PEEK 熔点）。

• 精度控制：

• 复合材料的收缩率（约 0.5-1.0%）低于纯 PEEK（1.5-2.5%），但碳纤维的取向可能导致各向异性收缩（沿纤维方向收缩小，垂直方向大），需通过分阶段加工（粗加工→时效处理→精加工）补偿：粗加工后在 150℃下保温 2 小时消除内应力，再精修至最终尺寸。

• 表面粗糙度（Ra）需控制在 0.8μm 以下（尤其密封面），可通过低速精铣（进给量 0.03-0.05mm/r）或金刚石砂轮抛光实现。

• 排屑与表面质量：

• PTFE 的黏附性会导致切屑缠绕刀具，需采用高压冷却剂强制排屑，或在刀具上开设排屑槽。

• 避免干切削（易产生高温使 PEEK 熔融，导致表面黏结 PTFE 碎屑）。

三、3D 打印（增材制造）：适合复杂结构、个性化部件

3D 打印（尤其 FDM/FFF 和 SLS 技术）适用于该复合材料的复杂结构成型（如多孔轴承、仿生结构部件），但需解决纤维分散不均、打印翘曲及喷嘴磨损问题。

主流技术与关键控制

• 熔融沉积成型（FDM/FFF）：

• 喷嘴温度：400-420℃（高于纯 PEEK 丝材打印温度 30-50℃，确保熔体充分流动）；

• 热床温度：160-200℃（减少层间应力，防止翘曲）；

• 打印速度：10-30mm/s（低于纯 PEEK 的 50-100mm/s，确保熔体充分填充并与下层结合）；

• 喷嘴选择：使用耐磨喷嘴（如钨钢或蓝宝石喷嘴），避免普通黄铜喷嘴（碳纤维会在 10-20 小时内磨穿喷嘴）。

• 丝材制备：需将碳纤维（短切，长度 0.1-0.3mm）和 PTFE（微粉，粒径 5-20μm）均匀分散于 PEEK 基体中，通过挤出机拉制成丝（直径 1.75mm 或 3.0mm），确保纤维 / PTFE 分布均匀（否则会导致打印层间结合不良）。

• 打印参数：

• 选择性激光烧结（SLS）：

• 激光功率：150-250W（高于纯 PEEK 烧结，确保碳纤维周围的 PEEK 充分熔融）；

• 扫描速度：500-1000mm/s；

• 成型舱温度：360-380℃（接近 PEEK 熔点，减少冷却收缩导致的翘曲）；

• 保护气氛：氮气（防止高温下 PEEK 氧化降解）。

• 粉末制备：需将 PEEK 粉末（粒径 50-100μm）与碳纤维（长度 50-100μm）、PTFE 微粉混合均匀，通过机械球磨确保分散性（团聚体粒径需＜200μm）。

• 烧结参数：

• 后处理：
  打印件需经180-200℃退火 2-4 小时，消除内应力；表面需通过喷砂（用氧化铝砂，粒度 80-120 目）或研磨抛光，去除表面疏松层（提高致密度和强度）。

四、压缩成型（模压成型）：适合厚壁、高纤维含量部件

压缩成型适用于碳纤维含量＞30% 的复合材料（流动性极差，无法注塑），如大型轴承座、高压阀门衬套等厚壁部件。

工艺核心步骤

1. 预成型：将复合材料粉末或预浸料（PEEK + 碳纤维 + PTFE）放入模具型腔，手动铺展均匀（避免纤维堆积导致性能不均）。

2. 升温加压：模具温度升至380-400℃（使 PEEK 熔融），施加压力10-30MPa（确保熔体充满型腔并排出气泡），保压 30-60 分钟（根据壁厚调整）。

3. 冷却脱模：在压力下缓慢冷却至 150℃以下（防止因快速冷却产生内应力），脱模后进行退火处理（同机加工后处理）。

加工核心原则

1. 耐磨性优先：碳纤维的高硬度会加剧设备 / 刀具磨损，需选用超硬材料（如钨钢、金刚石）制作模具或刀具，降低维护成本。

2. 流动性控制：碳纤维和 PTFE 均会降低熔体流动性，需通过提高温度（料筒 / 模具）、增大压力（注塑 / 压缩）或优化流道设计（注塑）补偿。

3. 热管理：材料导热性差，需强化冷却（机加工）或保温（3D 打印 / 压缩成型），避免局部过热导致 PEEK 降解或表面缺陷。

4. 洁净度要求：若用于医疗或食品设备，加工环境需为洁净室（Class 8 及以上），避免切削液或空气中的杂质污染材料。

该复合材料的加工成型是 “材料特性 - 工艺参数 - 设备选型” 的协同优化过程，需根据产品结构、批量及精度要求，选择合适的加工方式并针对性调整参数，才能兼顾效率、成本与性能。