PEEK碳纤增强的加工成型

碳纤增强 PEEK（碳纤维增强聚醚醚酮）的加工成型需兼顾其高性能特性（如耐高温、高刚性）和复合材料的特殊性（碳纤维与 PEEK 基体的结合、纤维取向对性能的影响），常用加工方法包括注塑成型、机械加工、挤出成型等，每种方法都有特定的工艺要点。以下是其加工成型的详细说明：

一、注塑成型（最常用的批量生产方法）

注塑成型适用于复杂形状零件的批量制造，需针对碳纤增强 PEEK 的特性调整工艺参数：

1. 原料预处理

• 干燥处理：PEEK 易吸潮（吸水率约 0.5%），未干燥的原料在高温下会产生气泡、银丝等缺陷。需在150-160℃下真空干燥 3-4 小时，确保水分含量低于 0.02%。

• 原料状态：通常为颗粒状（碳纤维长度一般为 0.2-0.5mm，与 PEEK 颗粒混合均匀），避免纤维团聚。

2. 注塑机要求

• 高温稳定性：需配备高温螺杆和料筒（最高温度需达 400℃以上），螺杆材质需耐磨损（碳纤维会加剧磨损，推荐使用双金属螺杆或氮化处理螺杆）。

• 锁模力：碳纤增强 PEEK 的熔体粘度较高，需更高锁模力（通常比普通塑料高 20-30%），避免溢料。

3. 关键工艺参数

• 熔融温度：根据碳纤维含量调整，一般在380-410℃（30% 碳纤增强 PEEK 常用 390-400℃）。温度过低会导致熔体流动性差，填充不足；过高则可能导致 PEEK 降解（出现变色、力学性能下降）。

• 模具温度：需维持较高模温（160-200℃），目的是：

• 保证熔体充分流动，填充复杂型腔；

• 减少内应力（PEEK 冷却快，高模温可减缓冷却速度，避免零件翘曲）；

• 促进 PEEK 结晶（提高结晶度，增强力学性能）。

• 注射速度与压力：采用中高速注射（避免纤维断裂）和高注射压力（80-120MPa），确保熔体充满模具；保压压力需适中（约为注射压力的 60-80%），减少收缩。

• 冷却时间：因模温高，冷却时间较长（通常 30-60 秒，视零件厚度而定），需保证零件完全固化后脱模。

4. 常见问题及解决

• 纤维取向不均：导致零件各向异性（不同方向强度差异大），可通过优化浇口位置（如采用多点浇口）、调整注射速度缓解。

• 表面缺陷（如玻纤外露）：提高模温、增加注射压力可改善熔体对模具的贴合性，减少表面瑕疵。

二、机械加工（适用于高精度或小批量零件）

碳纤增强 PEEK 硬度高、耐磨性强，机械加工需采用特殊工具和工艺，常用方法包括铣削、车削、钻孔、磨削等。

1. 刀具选择

• 需使用硬质合金刀具（如 WC-Co 合金）或金刚石涂层刀具，避免高速钢刀具因磨损过快导致加工精度下降。

• 刀具刃口需锋利，前角和后角应适当增大（减少切削阻力，避免碳纤维被 “撕裂”）。

2. 加工参数

• 切削速度：铣削时速度约100-200m/min，车削约80-150m/min（速度过高会导致刀具过热磨损）。

• 进给量：采用中等进给量（0.1-0.2mm/rev），进给过慢会增加刀具与材料的摩擦时间，导致过热；过快则可能引起纤维断裂和表面粗糙。

• 冷却：建议使用压缩空气冷却（避免水溶性冷却液渗入材料内部影响性能），或采用专用切削油（需后续清洁）。

3. 注意事项

• 零件易产生加工应力，可在加工后进行退火处理（150-200℃下保温 1-2 小时），消除内应力，提高尺寸稳定性。

• 钻孔时需避免 “分层”（碳纤维与 PEEK 基体分离），可采用预钻小孔再扩孔的方式，或使用带导向的钻头。

三、挤出成型（适用于型材、板材、棒材）

挤出成型用于生产连续长度的碳纤增强 PEEK 型材（如棒、板、管），后续可通过机械加工制成零件。

1. 设备与工艺

• 挤出机：需配备高温单螺杆或双螺杆挤出机（螺杆长径比≥25:1），螺杆需具备强剪切能力（确保碳纤维分散均匀）和耐磨损性。

• 温度控制：料筒温度从加料段到机头逐渐升高，范围360-400℃，机头温度略高于料筒（保证熔体顺利挤出）。

• 模具：根据型材形状设计，需保证熔体流动均匀，避免因流速差异导致纤维取向不均。

• 冷却定型：挤出后的型材需在热水浴（80-100℃）或空气冷却中缓慢冷却，减少内应力和翘曲。

2. 应用

挤出成型的碳纤增强 PEEK 棒材、板材可用于制造高精度机械零件（如轴承、齿轮）、医疗植入物毛坯等，后续通过机械加工获得最终形状。

四、其他成型方法

• 压缩成型：适用于大型或厚壁零件，将预成型的 PEEK + 碳纤维坯料放入模具，在高温（370-400℃）和高压（10-30MPa）下压实成型，优点是纤维损伤少、零件密度高。

• 3D 打印（增材制造）：采用熔融沉积成型（FDM） 或选择性激光烧结（SLS），将碳纤增强 PEEK 线材或粉末逐层堆积。需解决高温打印（喷嘴温度 400℃以上）、层间结合强度低等问题，目前主要用于复杂结构原型件或小批量定制零件（如医疗植入物个性化设计）。

五、加工成型对性能的影响

• 纤维长度与分散性：加工过程中碳纤维易被剪切断裂（尤其是注塑和挤出），纤维长度缩短会降低材料的力学性能（如强度、刚性），因此需优化设备剪切强度，平衡分散性与纤维保留长度。

• 纤维取向：注塑时熔体流动方向决定纤维主要取向，导致零件 “各向异性”（沿流动方向强度高，垂直方向低），设计时需根据零件受力方向调整浇口位置和成型工艺。

• 结晶度：模具温度、冷却速度影响 PEEK 的结晶度，结晶度高则材料强度、硬度高，但韧性略降；可通过调整模温和后续退火工艺控制结晶度，匹配零件性能需求。

总结

碳纤增强 PEEK 的加工成型核心是 **“高温控制”“减少纤维损伤”“降低内应力”**，需根据零件形状、批量和性能要求选择合适的方法：注塑适合批量复杂件，机械加工适合高精度小批量件，挤出适合型材生产。合理的工艺参数不仅能保证零件成型质量，还能最大限度发挥材料的高强度、高稳定性等优势。