學術探討丨纖維對聚醚醚酮（PEEK)的性能影響
材料科學作為現代科技的核心領域之一，其發展歷程貫穿了人類文明的演進，在當今科技革命中展現出強大的生命力。
高分子材料作為現代材料科學的重要組成部分，其發展經歷了從傳統塑料到高性能、輕量化、智能化材料的轉變。
隨著我國科技的發展，對高性能高分子材料的需求也隨之增加，其中聚芳醚酮憑借優異的耐熱性和力學性能等逐漸進入了大眾視野。
聚醚醚酮（PEEK）是一種半結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異的品種，其分子鏈由重復的醚鍵（-O-）和酮基（-CO-）構成。具有優異的耐磨，耐酸、堿及有機溶劑腐蝕，耐高溫等性能，被廣泛應用于航空航天，醫療器械，汽車工業等領域。
隨著我國工業的發展，對聚醚醚酮進行復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型聚醚醚酮。
纖維增強聚醚醚酮根據其增強相形式的不同可以分為短纖維增強聚醚醚酮、長纖維增強聚醚醚酮和連續纖維增強聚醚醚酮。由于短纖維增強聚醚醚酮具有成型簡單、易加工等優點，應用領域最為廣泛，PEEK常用的纖維主要有碳纖維和玻璃纖維等。
二、纖維增強聚醚醚酮的理論機制
目前學術界存在以下觀點：首先，纖維本身具有高模量和高強度，能夠顯著提高復合材料的力學性能。
通常來說，PEEK的拉伸強度約100 MPa，彈性模量在3.6 GPa左右；而碳纖維(CF)的拉伸強度在 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，復合材料的拉伸強度和彈性模量將介于纖維和基體之間，從而達到增強PEEK的作用。
1、應力傳遞
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，從而提高復合材料的整體強度和模量，因此纖維與PEEK基體之間的良好粘附性是增強效果的基礎，界面強度的應變率敏感性顯著影響復合材料的破壞行為。
陳春楊博士等人[1]比較了在動態和準靜態加載下的PEEK基體和PEEK 復合材料不同應變率下的拉伸應力應變曲線，如圖1、圖2所示。
圖1 PEEK 基體在不同應變率下的拉伸應力應變曲線[1]
圖2 PEEK 復合材料在不同應變率下的應力應變曲線：
（a）SCFR-PEEK復合材料；（b）SGFR-PEEK復合材料[1]
通過比較這兩種不同的復合材料后發現，二者拉伸強度均有不同程度的提高，而無論是在準靜態還是動態加載下，均為SCFR-PEEK復合材料的拉伸強度更高，而SGFR-PEEK復合材料的拉伸破壞應變則更高。
由于作為增強材料的碳纖維擁有著更高的剛度，而玻璃纖維的韌性更強，因此增強纖維本身力學性能與纖維和基體之間界面層的影響，會使兩種PEEK復合材料的性能出現相當大的差異。
通過對SEM圖像分析發現，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載荷作用下時得到了增強，如圖3所示。
圖3 動態拉伸載荷作用下SCFR-PEEK復合材料
的斷口表面形貌特征[1]
界面應力傳遞效率受PEEK在CF表面的橫晶結構直接影響，進而影響復合材料整體的力學性能，PEEK界面結晶形態越完善，結晶度越高，CF與PEEK結合就越緊密，黏結強度越高。
CF表面的sp2晶格結構可誘發PEEK結晶，其表面結晶度越高、晶粒粒徑越大，越有助于PEEK形成橫晶。結晶性聚合物在纖維表面結晶成核的效率因二者的晶型、晶胞參數等相近而提高。
2、結晶效應
張志毅等人[2]研究了不同纖維對聚醚醚酮（PEEK）界面結晶效應的影響，重點探討了纖維特性、結晶溫度等因素對PEEK結晶行為的作用機制。
通過偏光顯微鏡觀察到在較高的結晶溫度（250℃）下，PEEK能生成半徑達100 μm的球晶，結晶性纖維（如碳纖維）表現出較大的誘發成核形成橫晶的能力。
當結晶溫度降低到200℃時，PEEK雖仍能在纖維表面成核結晶，但由于纖維附近基體自身成核結晶的影響，不能形成致密完整的橫晶。
當結晶溫度降至150℃時，纖維附近基體自身成核結晶嚴重，難以分辨PEEK是否在纖維表面形成橫晶。
而結晶性纖維的誘發能力大于非結晶性纖維，例如碳纖維的誘發能力大于玻璃纖維[2]。
此外，CF沒有進行改性和接枝處理時，其與高粘度 PEEK 間的浸潤性差，使得界面某些區域存在微小間隙，這些間隙破壞了分子間的相互作用和機械摩擦。
所以當復合材料受到剪切應力時，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域擴展，進而導致界面剪切強度較小，因此有必要對CF或基體進行預處理。
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作用，增強了體系的能量吸收能力[3]。
3、界面優化
對于碳纖維來說，可采用氧化法對其進行處理，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，與PEEK基體或上漿劑形成氫鍵以增加材料強度，此方法在石墨烯復合的聚醚醚酮體系中更為常見。
對于商業化的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，從而增強體系性能。
王振豪等人[4]對結晶性改性聚醚醚酮上漿復合材料的界面剪切強度進行了研究，他們發現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，其在微脫粘試驗中也表現出了更強的界面性能。
圖4 不同碳纖維/聚醚醚酮復合材料的界面形貌[4]
三、結論
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的拉伸強度和彎曲模量，但同時引入的界面效應也不可忽視，纖維增強的聚醚醚酮體系在性能和機制方面仍有較大的研究潛力。