PEEK-CF20碳纤20增强PEEK的加工成型

PEEK-CF20（20% 碳纤维增强 PEEK）的加工成型需兼顾 PEEK 基体的耐高温特性与碳纤维的高硬度、低流动性影响。20% 的碳纤维含量在力学性能（强度、刚性）与加工性之间达到平衡 —— 相比高纤维含量（如 CF30）更易成型，同时比纯 PEEK 需更严格的工艺控制。以下是其主要加工方式及关键要点：

一、注塑成型：适合批量复杂部件的主流方式

注塑成型是 PEEK-CF20 规模化生产的核心工艺，适用于齿轮、轴承、连接器等结构规整、批量大的部件。碳纤维的加入会降低熔体流动性，需针对性优化参数以避免填充不足、纤维分散不均等缺陷。

1. 原料预处理：严控水分，避免降解

干燥要求：PEEK-CF20 吸潮性略低于纯 PEEK，但仍需在120-150℃真空干燥 4-6 小时，确保水分含量≤0.02%。若水分超标，高温下会导致 PEEK 水解（产生气泡、银丝纹），且碳纤维与基体界面结合力下降，力学性能降低 30% 以上。
储存条件：干燥后需密封保存（如铝箔袋），暴露在空气中（湿度＞60%）超过 1 小时需重新干燥，避免二次吸潮。

2. 温度控制：提升熔体流动性的关键

碳纤维会增加熔体粘度，需通过提高温度补偿流动性，同时避免 PEEK 过热降解（PEEK 热分解温度约 480℃，但长期超过 420℃会缓慢降解）。

料筒温度：

前段：370-380℃（预热，避免冷料堆积）；
中段：390-400℃（主要熔融区，确保碳纤维均匀分散）；
喷嘴：400-410℃（最高温区，降低熔体出口阻力）。
注：温度偏差 ±5℃即可能导致填充不足（温度过低）或降解（温度过高，表面出现焦痕）。

模具温度：需维持在160-180℃（高于纯 PEEK 的 140-160℃），原因是：

促进 PEEK 结晶（结晶度提升至 35-40%，减少内应力）；
延长熔体在模具内的流动时间，避免因冷却过快导致的 “短射”（填充不完整）。

3. 注射参数：平衡压力与纤维完整性

注射压力：需高于纯 PEEK（80-150MPa），设定为120-160MPa（根据部件复杂度调整）。例如，薄壁件（厚度＜1mm）需 150-160MPa，厚壁件（5-10mm）可降至 120-130MPa。压力不足会导致填充不满，过高则可能使碳纤维断裂（长度从 0.2mm 降至 0.05mm，力学性能下降 15%）。
注射速度：采用 “分段速度” 控制：

初始阶段（填充 30% 型腔）：低速（30-50mm/s），避免纤维堆积在浇口处；
中间阶段（填充 30-90%）：中速（60-80mm/s），确保熔体均匀流动；
末端阶段（90-100%）：低速（20-30mm/s），减少飞边和气泡。

保压与冷却：

保压压力：为注射压力的 60-70%（70-110MPa），保压时间 5-10 秒（厚壁件延长至 15 秒），补偿结晶收缩（收缩率约 0.8-1.2%，低于纯 PEEK 的 1.5-2.5%）。
冷却时间：15-30 秒（模具温度 160℃时），需缓慢冷却（避免内应力），可通过模温机梯度降温（160℃→120℃→80℃）。

4. 模具设计：适配低流动性的关键

流道与浇口：流道直径需比纯 PEEK 大 20%（如 φ5mm 增至 φ6mm），采用圆形流道（减少阻力）；浇口尺寸放大 30%（如边缘浇口宽度从 2mm 增至 2.6mm），避免碳纤维在浇口处 “过滤” 堆积。
排气设计：碳纤维与熔体混合易产生气体，需在型腔末端设置排气槽（深度 0.02-0.03mm，宽度 5-10mm），否则会出现烧焦、缺料。
模具材料：因碳纤维磨损性强，模具型腔需采用淬火钢（HRC50-55）或表面镀铬（厚度＞50μm），延长模具寿命（可达 10 万模次以上，普通模具仅 3 万模次）。

5. 常见缺陷及解决

表面纤维外露：熔体流动性不足，无法覆盖纤维。解决方案：提高料筒温度 5-10℃，或增大注射压力 10MPa。
翘曲变形：纤维取向不均（沿流动方向收缩小，垂直方向大）。解决方案：优化浇口位置（对称设置），或增加退火处理（150℃保温 2 小时）。
力学性能偏低：碳纤维断裂或分散不均。解决方案：降低螺杆转速至 50-80rpm（减少剪切力），或调整原料混合工艺（确保碳纤维分散均匀）。

二、机加工（切削加工）：适合高精度、小批量部件

机加工是 PEEK-CF20 精密成型的核心方式，适用于轴承套、泵叶轮等对尺寸精度（±0.01mm）要求高的部件。碳纤维的高硬度（莫氏硬度 3-4）会加剧刀具磨损，需针对性选择刀具和参数。

1. 刀具选择：超硬材料是关键

刀具材质：必须使用金刚石涂层硬质合金（PCD）或立方氮化硼（CBN）刀具，其耐磨性是普通硬质合金的 5-10 倍。例如，加工 φ10mm 孔时，PCD 钻头可加工 500 件以上，而普通硬质合金仅能加工 50 件（刃口磨损严重导致尺寸超差）。
刀具几何参数：

前角：10°-15°（减少切削阻力，避免纤维被 “撕裂”）；
后角：5°-8°（减少刀具与工件摩擦）；
刃口半径：0.05-0.1mm（锋利刃口避免碳纤维 “起毛”）。

2. 切削参数：控制温度，避免材料熔融

PEEK-CF20 导热性差（0.8-1.2W/(m・K)，仅为钢的 1/50），易积热导致 PEEK 基体熔融（表面发粘、精度超差），需严格控制切削速度和进给量。

切削速度：

铣削：30-60m/min（铝合金通常 100-200m/min）；
车削：50-80m/min；
钻孔：20-40m/min（避免钻头过热退火）。

进给量：0.05-0.15mm/r（中等进给，进给过快会导致纤维断裂，过慢则积热严重）。
冷却方式：必须使用油性切削液（如合成酯类），高压喷射（0.5-1MPa）直达切削区，避免水溶性冷却液（会导致材料吸水膨胀）。干切削会导致表面温度超过 343℃（PEEK 熔点），引发表面熔融和刀具剧烈磨损。

3. 精度控制：补偿各向异性收缩

分阶段加工：因碳纤维取向导致各向异性（沿纤维方向收缩 0.5%，垂直方向 1.2%），需采用 “粗加工→退火→精加工” 流程：

粗加工留 0.1-0.2mm 余量；
150℃保温 2 小时消除内应力（减少后续变形）；
精加工至最终尺寸（尺寸精度可达 ±0.005mm）。

表面质量：通过低速精铣（进给量 0.03-0.05mm/r）或金刚石砂轮抛光，使表面粗糙度 Ra≤0.8μm（尤其密封面、配合面），避免碳纤维外露导致的 “磨粒磨损”（如轴承配合面）。

4. 常见问题及解决

表面纤维突出：刀具刃口钝化，碳纤维被 “拉扯” 而非切断。解决方案：及时更换刀具（刃口磨损量＞0.1mm 时）。
尺寸超差：切削热导致材料热膨胀（线膨胀系数 10-15×10⁻⁶/℃）。解决方案：采用冷却夹具（将工件温度控制在 20±2℃），或在室温下放置 24 小时后再精修。

三、3D 打印（增材制造）：适合复杂结构与个性化部件

3D 打印（尤其 FDM/FFF 和 SLS 技术）适用于 PEEK-CF20 的复杂结构成型（如多孔轴承、仿生支架），但需解决纤维分散不均和喷嘴磨损问题。

1. FDM/FFF 技术（熔融沉积成型）

丝材制备：需将 20% 短切碳纤维（长度 0.1-0.3mm）均匀分散于 PEEK 基体中，通过挤出机拉制成 φ1.75mm 或 3.0mm 丝材（纤维分散不均会导致打印层间结合力下降 30%）。
打印参数：

喷嘴温度：400-410℃（高于纯 PEEK 丝材 30-50℃，确保熔体流动）；
热床温度：160-180℃（减少层间应力，避免翘曲）；
打印速度：10-30mm/s（低于纯 PEEK 的 50-100mm/s，确保层间充分结合）；
喷嘴材质：钨钢或蓝宝石喷嘴（抵抗碳纤维磨损，普通黄铜喷嘴打印 50 小时即磨损漏料）。

2. SLS 技术（选择性激光烧结）

粉末制备：PEEK 粉末（粒径 50-100μm）与碳纤维（长度 50-100μm）混合，需通过机械球磨确保分散均匀（团聚体＜200μm）。
烧结参数：

激光功率：180-220W（高于纯 PEEK 烧结，确保碳纤维周围 PEEK 充分熔融）；
成型舱温度：360-380℃（接近 PEEK 熔点，减少翘曲）；
扫描速度：500-800mm/s（平衡效率与烧结密度）。

3. 后处理：提升性能的关键

退火处理：打印后在 180-200℃保温 2-4 小时，消除内应力（可使弯曲强度提升 15%）；
表面处理：通过喷砂（氧化铝砂，粒度 80-120 目）或金刚石抛光，降低表面粗糙度（Ra 从 5-10μm 降至 1-2μm）。

四、压缩成型：适合厚壁、高纤维含量部件

压缩成型适用于壁厚＞10mm 的部件（如大型轴承座），或因流动性差无法注塑的产品。

工艺步骤：

将 PEEK-CF20 粉末或预浸料放入模具，铺展均匀；
模具升温至380-400℃（PEEK 熔融），施加10-20MPa压力，保压 30-60 分钟；
压力下冷却至 150℃以下脱模，避免内应力。

加工核心原则

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。
流动性补偿：通过 “高温 + 高压” 弥补碳纤维导致的低流动性（注塑 / 压缩），或降低切削速度减少材料损伤（机加工）。
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），避免局部过热导致 PEEK 降解。

PEEK-CF20 的加工成型需在 “性能保留” 与 “加工效率” 间平衡 ——20% 的碳纤维含量使其比 CF30 更易加工，同时比纯 PEEK 具有更优的力学性能，是兼顾复杂结构与高性能的理想选择。