李滌塵教授解析PEEK材料以及國產(chǎn)材料的未來
魔猴君 行業(yè)資訊 1894天前
20世紀80年代，英國ICI公司推出一種叫聚醚醚酮的材料，也即是PEEK，這種材料的基體形態(tài)為半結(jié)晶、高純度的有機熱塑性聚合物。它具有出色的力學(xué)性能、高溫性能、機械強度和耐化學(xué)性。這些性能使其成為適用于各種3D打印技術(shù)的可行材料，并被眾多行業(yè)采用。
去年底，西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室主任李滌塵教授所領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊項目“定制化功能仿生PEEK骨植入物增材制造技術(shù)及醫(yī)療應(yīng)用”成為“廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃”入選項目之一。
作為國內(nèi)研究PEEK材料的專家代表，李滌塵教簡單分析了國產(chǎn)材料的未來。
一、PEEK材料的優(yōu)缺點及其應(yīng)用
PEEK樹脂是一種性能優(yōu)異的特種工程塑料，具有可耐260°C高溫、耐腐蝕性、耐輻照性、穩(wěn)定性及抗蠕變性、輕量化、防水解、化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定無毒害、完全生物兼容、易燃性低、絕緣性高、耐磨、自潤滑性好等優(yōu)點，尤其是作為耐熱性能優(yōu)異的熱塑性樹脂，它可用作高性能復(fù)合材料的基體材料。李滌塵教授指出，它在目前的聚合物里，性能基本上是最頂尖的，跟它相似的有聚醚酰亞胺（PEI）等新材料。PEEK的強度接近100Mpa，通過碳纖維改性，可以達到接近400Mpa，這差不多接近鋁合金的性能了——這意味著，PEEK通過改性及優(yōu)化后將來有可能代替一些金屬的應(yīng)用。
但PEEK材料也有它的不足之處：因為熔點過高（343°C），必須在非常高的溫度下進行處理；雖然有良好的耐腐蝕性，但也仍會受到鹵素和鈉的侵蝕，這限制了它在某些工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，它對紫外線抵抗力低（這可通過碳填充來獲取更好的紫外線穩(wěn)定性）。
PEEK材料的不親水性，這一特性對于生物醫(yī)療應(yīng)用來說不太友好——水無法粘附意味著細胞沒法在PEEK材料上貼附生長。如果要將它應(yīng)用到生物醫(yī)療領(lǐng)域，需要對PEEK材料進行改性或表面改性，比如添加羥基磷灰石等有利于細胞生長的材料，使這些材料與PEEK材料很好地混合應(yīng)用；也可以對PEEK材料的表面進行改性，使之親水性更好，便于細胞的貼附生長。李教授的團隊已經(jīng)在一些動物身上進行了大量實驗，應(yīng)用效果得到顯著的改善。但是，PEEK的不親水性對于某些不沾水的應(yīng)用又好處多多，比如用于航空航天領(lǐng)域，不用擔(dān)心出現(xiàn)結(jié)冰的問題……
總體而言，PEEK材料目前開辟了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，甚至可以替代金屬或鋁材等常用材料PEEK材料目前一些主要的應(yīng)用領(lǐng)域，比如航空航天、汽車、生物醫(yī)療、電子電氣等工業(yè)上的應(yīng)用。
航空航天領(lǐng)域需要安全可靠的材料，PEEK材料即使是暴露在高溫和腐蝕性燃料中，也可以保持其出色的材料性能。因此，PEEK材料制備的零件在航空航天領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用——外部零件可抗雨水粘附侵蝕；內(nèi)部使用可降低火災(zāi)的風(fēng)險，有著出色的阻燃性及低煙無毒的優(yōu)點。此外，還可降低整體重量及燃料成本等等。
在汽車領(lǐng)域，PEEK材料的抗疲勞性和耐化學(xué)性使之可用于汽車燃料管理系統(tǒng)，而它的輕量性與強度又使之能取代傳動、制動、空調(diào)系統(tǒng)中的金屬或鋁合金組件……既可降低汽車重量又可降低噪音，還是3D打印定制汽車零部件的首選材料——對于已經(jīng)停產(chǎn)的汽車零部件來說，用PEEK材料來3D打印可節(jié)省原始部件90%的成本。
而在醫(yī)療領(lǐng)域，PEEK則提供了具有優(yōu)異耐磨性、耐熱性、耐電性和耐化學(xué)性的經(jīng)濟型創(chuàng)新部件。它在醫(yī)療保健領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括牙科器械、內(nèi)窺鏡、透析器等，主要用于骨科。例如，在牙科醫(yī)學(xué)中，PEEK用于替換牙科注射器上的金屬手柄或用于根管銼的無菌盒。PEEK之所以適用于此，是因為該聚合物可承受高達3000次高壓釜滅菌循環(huán)，并在熱水、蒸汽、溶劑或化學(xué)品中保持優(yōu)異的機械強度和水解穩(wěn)定性……
除了主要的軍用、人造骨骼等高精尖領(lǐng)域的應(yīng)用，比如一些電子電氣甚至民用的案例——PEEK優(yōu)異的絕緣性毫無疑問會讓它成為電子電氣領(lǐng)域的寵兒，而憑借出色的熱性能，PEEK聚合物部件能夠承受傳統(tǒng)絕緣體沒有辦法承受的高溫。而因為人們對于更薄、更輕、更智能的移動設(shè)備的追求，也使PEEK材料在移動設(shè)備中大有用武之地。此外，還有一些我們?nèi)粘Ｉ钪锌梢砸姷降谋热缋昧?/span>PEEK材料無毒、耐高溫、不親水、耐磨等特性的不粘鍋；以及空調(diào)里面的風(fēng)扇構(gòu)件，PEEK材料經(jīng)3D打印成風(fēng)扇，可大幅提高單位重量的性能，使之具有更好的空氣動力結(jié)構(gòu)；還有利用PEEK材料的耐腐蝕性的泵閥等等……
為了擴大PEEK材料的應(yīng)用范圍，還可以通過共混改性、共聚改性、復(fù)合增強改性、填實改性、納米改性及表面改性等手段，增強PEEK材料某些方面的性能。
談國產(chǎn)材料的未來
在采訪中，李滌塵教授對西安交大的研究團隊在材料方面的工作進行了簡單介紹。他表示，西安交大的研究團隊多年來在增材制造領(lǐng)域做了很多研究，也進行了很多有目的的布局，他們的研究主要圍繞兩個大方向：一是圍繞國家的重大目標，比如航空發(fā)動機葉片的增材制造等；另一個是圍繞前沿性的增材制造研究，比如金屬的高性能基礎(chǔ)材料，如高熵合金。還有生物醫(yī)療、細胞打印等等這些未來前沿方向的研究。
在李滌塵教授看來，我國工業(yè)應(yīng)用上使用到的國產(chǎn)材料的性能、工藝越來越好，包括鋪粉的精度、空心率、成本控制等等優(yōu)勢都在不斷提升。不過，由于我們現(xiàn)在所使用的材料體系，還是傳統(tǒng)的鑄造鍛壓的那一套材料體系，而這材料體系并不完全適合3D打印的要求，很多新材料仍然需要深入地去研發(fā)，尤其是結(jié)合工藝進行材料研究，不能與工藝與裝備脫鉤，解決好3D打印過程中的相變、收縮、致密度等相關(guān)問題，結(jié)合材料與工藝，從材料配方層面去重新認識、設(shè)計、研發(fā)，使我們的國產(chǎn)材料大幅度提升，這任重道遠，需要我國的科研人員的共同努力。
他指出，作為高校的研究團隊，所做的研究跟企業(yè)的不一樣，構(gòu)不成競爭關(guān)系，研究團隊更多是做企業(yè)沒有力量或者說沒有心思去做的那些研究，然后給企業(yè)提供新的技術(shù)引領(lǐng)。而企業(yè)也需要跟研究機構(gòu)充分配合，使得基礎(chǔ)研究盡快轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用，這才是科研單位與企業(yè)未來的共同方向。
