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 1864天前
20世紀(jì)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(jī)熱塑性聚合物。它具有出色的力學(xué)性能、高溫性能、機(jī)械強(qiáng)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(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任李滌塵教授所領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)項(xiàng)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(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃”入選項(xiàng)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(diǎn)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(diǎn)，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(qiáng)度接近100Mpa，通過碳纖維改性，可以達(dá)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?yàn)槿埸c(diǎn)過高（343°C），必須在非常高的溫度下進(jìn)行處理；雖然有良好的耐腐蝕性，但也仍會(huì)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(duì)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(duì)于生物醫(yī)療應(yīng)用來說不太友好——水無法粘附意味著細(xì)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(duì)PEEK材料進(jìn)行改性或表面改性，比如添加羥基磷灰石等有利于細(xì)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(duì)PEEK材料的表面進(jìn)行改性，使之親水性更好，便于細(xì)胞的貼附生長。李教授的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在一些動(dòng)物身上進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用效果得到顯著的改善。但是，PEEK的不親水性對(duì)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(xiǎn)，有著出色的阻燃性及低煙無毒的優(yōu)點(diǎn)。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(qiáng)度又使之能取代傳動(dòng)、制動(dòng)、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(duì)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(jì)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?yàn)樵摼酆衔锟沙惺芨哌_(dá)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(jī)械強(qiáng)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(huì)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?yàn)槿藗儗?duì)于更薄、更輕、更智能的移動(dòng)設(shè)備的追求，也使PEEK材料在移動(dòng)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(dòng)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(kuò)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(qiáng)改性、填實(shí)改性、納米改性及表面改性等手段，增強(qiáng)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(duì)西安交大的研究團(tuán)隊(duì)在材料方面的工作進(jìn)行了簡單介紹。他表示，西安交大的研究團(tuán)隊(duì)多年來在增材制造領(lǐng)域做了很多研究，也進(jìn)行了很多有目的的布局，他們的研究主要圍繞兩個(gè)大方向：一是圍繞國家的重大目標(biāo)，比如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的增材制造等；另一個(gè)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(xì)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(shì)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(jìn)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(rèn)識(shí)、設(shè)計(jì)、研發(fā)，使我們的國產(chǎn)材料大幅度提升，這任重道遠(yuǎn)，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(tuán)隊(duì)，所做的研究跟企業(yè)的不一樣，構(gòu)不成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，研究團(tuán)隊(duì)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(jī)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。
