背景介绍
随着人口老龄化、疾病和意外事故引起的骨缺损以及骨损伤的增加，人工骨植入材料变得越来越重要。碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）具有良好的生物相容性、耐腐蚀性、耐疲劳性、X射线透射性能和优异的机械强度，有望成为骨科植入领域最重要的材料之一。短碳纤维增强聚醚醚酮复合材料具有成本低、成型工艺简单和生产效率高等优点，但其力学性能相对较差，为了提高复合材料的强度，人们通常会增加碳纤维的含量，然而，随着碳纤维的增加，复合材料的成型和加工过程将更加困难，复合材料的韧性也会随之下降。因此，如何同时提高复合材料的强度和韧性成为一个难题。 近日，东华大学朱姝副教授课题组在Composites Communications上发表了题为"Strengthening and toughening behaviours and mechanisms of carbon fiber reinforced polyetheretherketone composites (CF/PEEK)"论文。利用压力诱导流动成型法（Pressure-induced flow ，PIF），实现了短碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的强韧化。
工作亮点
图1压力诱导流（PIF）成型示意图 PIF是指材料在介于玻璃化转变温度和熔融温度的范围内，受到一定的压力的作用发生塑性形变，在这个过程中固体材料在CD方向（Constrained direction）限制而被迫只能在FD方向(Dlowing direction)上流动和变形。（图1） 图2 相同成型压力（0.91 GPa）、不同成型温度下S-CF/PEEK的拉伸力学性能：（a）应力-应变曲线，（b）拉伸强度，（c）拉伸模量。相同成型温度（290 °C）不同成型压力下S-CF/PEEK的拉伸力学性能：（d）应力-应变曲线，（e）拉伸强度，（f）拉伸模量。CF/PEEK样品在PIF成型前（Non-PIF）和之后（290-0.91）的力学性能比较：（g）应力-应变曲线的积分，（h）冲击强度，（i）弯曲强度和模量。 基于此项技术，研究人员对CF/PEEK的力学性能进行分析。通过对不同PIF工艺下成型的样品进行拉伸、冲击和弯曲测试，发现PIF成型后的的力学性能均得到提升，其中拉伸模量、冲击强度和弯曲模量最高可分别提高约105%、110%和90%。（图2）
图3 (a) Non-PIF和PIF（290-0.91）样品的制备示意图，（b，c）SEM图。
为研究PIF强韧化作用机制，研究人员用SEM、SAXS、DSC和DMA对CF/PEEK进行进一步分析。 Non-PIF样品断面的PEEK形态杂乱无序，样品中的纤维朝着各个方向无规分布。而经过PIF成型后，碳纤维沿FD方向取向，复合材料形成多层取向结构。当CF/PEEK受冲击发生断裂过程中， PIF试样的裂纹由于裂纹偏转而变得不均匀，断裂路径变得更加复杂，实际断面面积随之增加，这大大增加了材料断裂时吸收的冲击能量，提高了材料的韧性。（图3）
图4（a、b）CF/PEEK样品的取向参数和2D-SAXS模式，（c）不同温度和压力下CF/PEEK样品的DSC加热曲线，（d）不同温度和压力下CF/PEEK样品的熔点和结晶度。不同压力下CF/PEEK样品的动态力学性能：（e）tan δ曲线，（f）储能模量（E'）
研究者通过小角散射测试，结合Hermans方程进一步表征并量化了片晶的取向。在成型过程中，球晶发生变形后片晶发生破碎、旋转、重排后形成长周期主要沿FD取向的结构，最大取向因子可达0.27，高取向结构可以提高复合材料的强度和模量。此外，取向进一步诱导了复合材料的结晶，使其结晶度有所提高，对材料的力学性能也有一定的贡献。 从DMA图中我们可以看到PIF样品的玻璃化松弛峰发生右移，这是因为经过PIF处理后，非晶区受到晶区的进一步限制，分子链的运动受阻，松弛需要吸收更高的能量。此外，在接近成型温度（290°C）的温度下，PIF样品出现新的α松弛峰，这是因为在一定的温度和压力下，晶体片层发生断裂、旋转和重排，一些分子链从原片晶中分离出来，变成非晶态分子链，形成刚性无定形区。由于这些分子链仍然与原始晶体片层相连，因此与普通无定形区不同，它们的松弛行为需要吸收更多的能量，即需要在更高的温度下发生，表现为新松弛峰的生成。无定形区的增加给材料提供了更多的粘性成分，从而提高了材料的韧性。此外，所有PIF样品的储能模量（E’）均高于Non-PIF样品，说明PIF成型CF/PEEK韧性的增加并不以损耗其模量为代价，即PIF成型不仅可以提高材料的韧性，而且可以同时提高材料的模量。（图4） 图5（a） 空白对照PEEK和CF/PEEK的相对增长率，（b）CF/PEEK在TKA中的潜在应用
研究者还利用MTT法证明了CF/PEEK并无细胞毒性，在骨科植入中具有潜在的应用。（图5）
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.coco.2022.101397 扫码下载
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作者：陆意 美编：谢冠婧
原文始发于微信公众号（东华经纬新材料研究院）：东华大学朱姝副教授团队：CF/PEEK的增强增韧行为及机理研究
