聚醚醚酮（PEEK）是一種半結(jié)晶性芳香族熱塑性聚合物，是聚芳醚酮類熱塑性聚合物中性能最為優(yōu)異的品種，其分子鏈由重復(fù)的醚鍵（-O-）和酮基（-CO-）構(gòu)成。具有優(yōu)異的耐磨，耐酸、堿及有機(jī)溶劑腐蝕，耐高溫等性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天，醫(yī)療器械，汽車工業(yè)等領(lǐng)域。

隨著我國工業(yè)的發(fā)展，對聚醚醚酮進(jìn)行復(fù)合加工及改性的方法也隨之增加，其中最為常用的是纖維增強(qiáng)型聚醚醚酮。

纖維增強(qiáng)聚醚醚酮根據(jù)其增強(qiáng)相形式的不同可以分為短纖維增強(qiáng)聚醚醚酮、長纖維增強(qiáng)聚醚醚酮和連續(xù)纖維增強(qiáng)聚醚醚酮。由于短纖維增強(qiáng)聚醚醚酮具有成型簡單、易加工等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛，PEEK常用的纖維主要有碳纖維和玻璃纖維等。

二、纖維增強(qiáng)聚醚醚酮的理論機(jī)制

目前學(xué)術(shù)界存在以下觀點(diǎn)：首先，纖維本身具有高模量和高強(qiáng)度，能夠顯著提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

通常來說，PEEK的拉伸強(qiáng)度約100 MPa，彈性模量在3.6 GPa左右；而碳纖維(CF)的拉伸強(qiáng)度在 3500 MPa 到 6000 MPa 之間，彈性模量介于230 GPa到600 GPa之間；玻璃纖維(GF)拉伸強(qiáng)度通常在 3100 MPa 到 3800 MPa之間，彈性模量范圍在72.5 GPa到75.5 GPa。

由于纖維的拉伸強(qiáng)度和彈性模量明顯高于PEEK基體，在不考慮相互作用的情況下，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量將介于纖維和基體之間，從而達(dá)到增強(qiáng)PEEK的作用。

1、應(yīng)力傳遞

纖維通過與基體的界面相互作用，將外加載荷有效地傳遞到纖維上，從而提高復(fù)合材料的整體強(qiáng)度和模量，因此纖維與PEEK基體之間的良好粘附性是增強(qiáng)效果的基礎(chǔ)，界面強(qiáng)度的應(yīng)變率敏感性顯著影響復(fù)合材料的破壞行為。

陳春楊博士等人[1]比較了在動態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)加載下的PEEK基體和PEEK 復(fù)合材料不同應(yīng)變率下的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖1、圖2所示。

圖1 PEEK 基體在不同應(yīng)變率下的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線[1]

圖2 PEEK 復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線：

（a）SCFR-PEEK復(fù)合材料；（b）SGFR-PEEK復(fù)合材料[1]

通過比較這兩種不同的復(fù)合材料后發(fā)現(xiàn)，二者拉伸強(qiáng)度均有不同程度的提高，而無論是在準(zhǔn)靜態(tài)還是動態(tài)加載下，均為SCFR-PEEK復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度更高，而SGFR-PEEK復(fù)合材料的拉伸破壞應(yīng)變則更高。

由于作為增強(qiáng)材料的碳纖維擁有著更高的剛度，而玻璃纖維的韌性更強(qiáng)，因此增強(qiáng)纖維本身力學(xué)性能與纖維和基體之間界面層的影響，會使兩種PEEK復(fù)合材料的性能出現(xiàn)相當(dāng)大的差異。

通過對SEM圖像分析發(fā)現(xiàn)，拔出纖維的表面覆蓋著大量的PEEK基體，使得纖維表面十分的粗糙，這表明纖維和基體之間的界面層在動態(tài)載荷作用下時得到了增強(qiáng)，如圖3所示。

圖3 動態(tài)拉伸載荷作用下SCFR-PEEK復(fù)合材料

的斷口表面形貌特征[1]

界面應(yīng)力傳遞效率受PEEK在CF表面的橫晶結(jié)構(gòu)直接影響，進(jìn)而影響復(fù)合材料整體的力學(xué)性能，PEEK界面結(jié)晶形態(tài)越完善，結(jié)晶度越高，CF與PEEK結(jié)合就越緊密，黏結(jié)強(qiáng)度越高。

CF表面的sp2晶格結(jié)構(gòu)可誘發(fā)PEEK結(jié)晶，其表面結(jié)晶度越高、晶粒粒徑越大，越有助于PEEK形成橫晶。結(jié)晶性聚合物在纖維表面結(jié)晶成核的效率因二者的晶型、晶胞參數(shù)等相近而提高。

2、結(jié)晶效應(yīng)

張志毅等人[2]研究了不同纖維對聚醚醚酮（PEEK）界面結(jié)晶效應(yīng)的影響，重點(diǎn)探討了纖維特性、結(jié)晶溫度等因素對PEEK結(jié)晶行為的作用機(jī)制。

通過偏光顯微鏡觀察到在較高的結(jié)晶溫度（250℃）下，PEEK能生成半徑達(dá)100 μm的球晶，結(jié)晶性纖維（如碳纖維）表現(xiàn)出較大的誘發(fā)成核形成橫晶的能力。

當(dāng)結(jié)晶溫度降低到200℃時，PEEK雖仍能在纖維表面成核結(jié)晶，但由于纖維附近基體自身成核結(jié)晶的影響，不能形成致密完整的橫晶。

當(dāng)結(jié)晶溫度降至150℃時，纖維附近基體自身成核結(jié)晶嚴(yán)重，難以分辨PEEK是否在纖維表面形成橫晶。

而結(jié)晶性纖維的誘發(fā)能力大于非結(jié)晶性纖維，例如碳纖維的誘發(fā)能力大于玻璃纖維[2]。

此外，CF沒有進(jìn)行改性和接枝處理時，其與高粘度 PEEK 間的浸潤性差，使得界面某些區(qū)域存在微小間隙，這些間隙破壞了分子間的相互作用和機(jī)械摩擦。

所以當(dāng)復(fù)合材料受到剪切應(yīng)力時，由微小間隙引起的失效傾向于以 CF和 PEEK樹脂之間直接分離的形式從界面區(qū)域擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致界面剪切強(qiáng)度較小，因此有必要對CF或基體進(jìn)行預(yù)處理。

一方面處理后的纖維與基體之間界面更為光滑，連接性更好，另一方面處理后可能形成物理或化學(xué)作用，增強(qiáng)了體系的能量吸收能力[3]。

3、界面優(yōu)化

對于碳纖維來說，可采用氧化法對其進(jìn)行處理，一方面可使碳纖維表面粗糙度增加，另一方面可在其表面形成含氧基團(tuán)，與PEEK基體或上漿劑形成氫鍵以增加材料強(qiáng)度，此方法在石墨烯復(fù)合的聚醚醚酮體系中更為常見。

對于商業(yè)化的CF/PEEK體系，選擇合適的上漿劑可改善碳纖與PEEK基體的相容性，從而增強(qiáng)體系性能。

王振豪等人[4]對結(jié)晶性改性聚醚醚酮上漿復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度進(jìn)行了研究，他們發(fā)現(xiàn)相比未使用上漿劑的裸纖（圖4a），上漿后的CF（圖4c、d）與樹脂之間結(jié)合緊密，大部分CF被基體樹脂所包覆從而形成了一個整體，相較于PEEK 樹脂對 CF 的浸潤性有所改善，其在微脫粘試驗(yàn)中也表現(xiàn)出了更強(qiáng)的界面性能。

圖4 不同碳纖維/聚醚醚酮復(fù)合材料的界面形貌[4]

三、結(jié)論

綜上所述，纖維對聚醚醚酮的性能有著明顯影響，纖維的加入顯著提高了PEEK的拉伸強(qiáng)度和彎曲模量，但同時引入的界面效應(yīng)也不可忽視，纖維增強(qiáng)的聚醚醚酮體系在性能和機(jī)制方面仍有較大的研究潛力。