从聚合物链角度来看，PEEK是由苯环、亚甲基、醚键交替构成线性长链聚合物。其基本单元为4,4'二氟二苯甲酮和对苯二酚通过芳香族亲核取代反应制得。这种结构赋予了PEEK极高刚性、强度。苯环存于使PEEK具有优良耐高温性能，能够于260℃下一直使用而不有显著变化；和此同时，因为醚键存于，PEEK还含一定柔韧性，使其易于加工成型。
于分子间作用力方面，PEEK分子之间主要依靠范德华力相互吸引，另外，因为其主链上含有极性基团，因此也存于一定程度氢键作用。这些作用力共同决定了PEEK材料力学特性、热稳固性。例如，于高温条件下，尽管部分氢键也许会断裂，但剩余范德华力仍能维持材料基本形态，从而确保了PEEK于极端环境下用途潜力。
另外，PEEK还具有结晶度可调特点，这使得它可以根据具体需求调整最终产品物理化学性质。高结晶度PEEK通常表现出更高硬度、耐磨性，适合用于生产轴承、齿轮承受重载荷部件；而非晶态或低结晶度PEEK则更加柔软且易加工，适用于薄壁零件或者要优良冲击吸收能力用途场合。正是因为其特殊分子结构设计，才让PEEK成为航空航天、汽车工业还有医疗器械多个行业无法替代关键材料。
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