劉亞男，劉晨曉，朱明浩，李來鑫，馮榮欣

（中國商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心，先進(jìn)材料結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，北京 102211）

熱塑性復(fù)合材料是以玻璃纖維、碳纖維、芳烴纖維及其他材料增強(qiáng)各種熱塑性樹脂所形成的復(fù)合材料。與熱固性樹脂相比，熱塑性樹脂具有低密度、抗沖擊、高韌性、可焊接，可對(duì)服役過程沖擊損傷進(jìn)行原位修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，有利于降低全壽命周期成本；同時(shí)，熱塑性樹脂基復(fù)合材料易于回收再利用，預(yù)浸料可常溫儲(chǔ)存，可實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展。因此，纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料發(fā)展迅猛并且在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在航空領(lǐng)域，熱塑性復(fù)合材料獨(dú)特的性能優(yōu)勢，使其滿足民機(jī)發(fā)展所需要的安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性、環(huán)保性的要求[1–7]。

世界各主要國家均極為重視對(duì)熱塑性復(fù)合材料的研究。NASA自20世紀(jì)60年代末即開始熱塑性復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)研究，開發(fā)了多款熱塑性樹脂，進(jìn)行了大量熱塑性復(fù)合材料制造工藝及其結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究；歐盟以及空客、?？撕接畹群商m航空企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)也聯(lián)合組建了“低成本熱塑性復(fù)合材料航空結(jié)構(gòu)創(chuàng)新項(xiàng)目（TAPAS）”，以進(jìn)一步提高熱塑性復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用水平。目前，熱塑性復(fù)合材料已成功用于A380機(jī)翼前緣、A350連接角片、12m的抗扭箱等航空典型結(jié)構(gòu)中[8–14]。針對(duì)航空主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用需求，熱塑性復(fù)合材料的研究主要集中在材料體系、成型工藝及性能研究等領(lǐng)域。目前高性能熱塑性復(fù)合材料的成型主要有模壓成型、熱壓罐成型、拉擠成型、纏繞成型及原位成型等[15–17]。近年來，連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的自動(dòng)鋪放技術(shù)發(fā)展迅速。典型的熱塑性復(fù)合材料樹脂體系包括PEI、PI、PPS、聚醚醚酮（PEEK）和聚醚酮酮（PEKK）等。其中，高性能聚醚酮樹脂基復(fù)合材料被廣泛認(rèn)為是將來民機(jī)主承力薄壁結(jié)構(gòu)的主選方案[18–20]。

PEEK和PEKK都是聚芳醚酮體系，兩種材料外觀和結(jié)晶行為相似，但工藝溫度、性能以及相應(yīng)的材料和技術(shù)成熟度都有差別。因此，針對(duì)未來航空部件性能、成本及效率的綜合需求，PEEK和PEKK究竟哪一個(gè)更適合，選取怎樣的成型工藝，特別是低成本非熱壓罐工藝成為航空企業(yè)和機(jī)構(gòu)的關(guān)注重點(diǎn)。PEEK已有的十幾年研究基礎(chǔ)，其性能特性工藝參數(shù)已有較充分研究，但是受限于自動(dòng)化設(shè)備水平，其自動(dòng)鋪放工藝研究歷史較短[21–24]。相比而言，PEKK體系作為新興材料，熔點(diǎn)低于PEEK體系，相應(yīng)的成型溫度有望降低從而節(jié)省能耗成本，但由于起步較晚，其基本材料特性、工藝參數(shù)和性能研究均較少。

本文針對(duì)航空主承力結(jié)構(gòu)低成本高效率需求，基于可得成熟原材料選用相應(yīng)的適用工藝，對(duì)CF/PEEK和CF/PEKK兩種體系及對(duì)應(yīng)工藝進(jìn)行對(duì)比研究。首先針對(duì)近年來新興的CF/PEKK寬幅手鋪預(yù)浸料體系采用低成本模壓成型工藝，對(duì)其材料特性、成型工藝和基本性能進(jìn)行研究。同時(shí)，對(duì)于CF/PEEK自動(dòng)鋪絲預(yù)浸料窄帶，開展新興的自動(dòng)鋪絲（Automated Fiber Placement，AFP）結(jié)合模壓兩步法成型工藝探索，對(duì)比兩種材料和工藝體系下的基本特性、成型質(zhì)量和基本力學(xué)性能，以獲取其性能水平差異，為實(shí)際工程應(yīng)用中材料體系選擇提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)部分

1 原材料與儀器設(shè)備

本文采用的原材料及主要儀器設(shè)備廠家和型號(hào)規(guī)格如表1所示。

表1 主要原材料與儀器設(shè)備Table 1 Main raw materials and equipments

2 熱塑性復(fù)合材料層合板制備

本文采用模壓成型工藝制備CF/PEKK熱塑性復(fù)合材料層合板，主要包括鋪放準(zhǔn)備、鋪放、預(yù)熱、成型、冷卻脫模及機(jī)加檢測等步驟，其工藝流程如圖1所示。

圖1 CF/PEKK復(fù)合材料層合板模壓成型技術(shù)流程圖Fig.1 Flow chart for hot press molding process of CF/ PEKK composite laminates

首先進(jìn)行預(yù)浸料裁切和輔助材料準(zhǔn)備，同時(shí)進(jìn)行模具清理和準(zhǔn)備；之后將預(yù)浸料按設(shè)計(jì)好的鋪層方式進(jìn)行鋪層，采用單向鋪層，尺寸是150mm×100mm；最后進(jìn)行合模，并將工裝轉(zhuǎn)移至熱壓機(jī)設(shè)置成型工藝制度進(jìn)行固結(jié)成型。典型熱壓工藝制度為340℃預(yù)熱，升溫至370℃時(shí)施加成型壓力，保溫10min后降溫，冷卻至室溫后脫模，典型工藝曲線如圖2所示。因?yàn)楦邷馗邏涵h(huán)境下樹脂流動(dòng)性強(qiáng)且本文采用單向帶預(yù)浸料，有可能因?yàn)閴毫^大導(dǎo)致樹脂擠出或纖維分散，因此通過在模壓模具上模和下模中間加厚度，通過金屬墊板來控制最終層合板的厚度，墊板厚度為理論單層厚度和鋪層數(shù)的乘積。本文中考察不同冷卻速率（–15℃/min、–8℃/min、–2℃/min）和成型壓力（6.0MPa、2.0MPa、0.6MPa）對(duì)CF/PEKK復(fù)合材料成型質(zhì)量和性能的影響，如表2所示。脫模后對(duì)制備復(fù)合材料進(jìn)行機(jī)加和性能檢測。

表2 不同工藝參數(shù)設(shè)置Table 2 Different process parameters setting

圖2 CF/PEKK復(fù)合材料典型模壓成型工藝曲線Fig.2 Typical hot press molding curing cycle for CF/PEKK composites

此外，為與CF/PEKK體系進(jìn)行對(duì)比分析，本文采用自動(dòng)鋪絲結(jié)合模壓成型兩步法原位成型制備CF/PEEK復(fù)合材料層合板，本文采用的自動(dòng)鋪絲機(jī)與熱壓機(jī)如圖3所示。首先以寬度6.35mm的CF/PEEK預(yù)浸料窄帶為原材料，由法國coriolis自動(dòng)鋪絲機(jī)鋪放CF/PEEK預(yù)制體，鋪層與CF/PEKK一致，鋪絲鋪放過程采用激光加熱鋪絲頭，加熱功率設(shè)定為2200W，鋪絲速度設(shè)置為0.06m/s，鋪絲過程中壓輥壓力為800N。自動(dòng)鋪絲制備預(yù)制體后，將預(yù)制體移入模壓模具采用模壓后成型為最終層合板，模壓工序與CF/PEKK體系一致，預(yù)熱和成型溫度設(shè)置為370℃，成型壓力2.0MPa，冷卻速率–2℃/min。

圖3 主要設(shè)備Fig.3 Main equipments

3 性能測試表征方法

本文采用場發(fā)射掃描電鏡（SEM）對(duì)預(yù)浸料微觀形貌（圖4（a）和（b））及復(fù)合材料破壞形貌進(jìn)行觀察；采用DSC測試預(yù)浸料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、熔點(diǎn)；采用測厚儀測量層合板各區(qū)域厚度，利用超聲波掃描顯微鏡采用超聲水浸反射法（圖4（c）），對(duì)層合板質(zhì)量進(jìn)行無損檢測，檢測范圍為層合板全尺寸100%檢測，探頭5MHz，直徑9.525mm，焦距20.066mm；參考ASTM D2344Standard Test Method for Short-Beam Strength of PolymerMatrix Composite Materials and their Laminates標(biāo)準(zhǔn)，采用Instron 5965型5kN電子拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行短梁強(qiáng)度性能檢測。試驗(yàn)過程中加載速度：1.0mm/min，采用三點(diǎn)式夾具，上壓輥直徑6.00mm，下支輥直徑3.00mm，跨距8.00mm。測試溫度為23℃，試驗(yàn)共測試有效試樣6件；采用金相法依據(jù)GB3365《碳纖維增強(qiáng)塑料孔隙含量和纖維體積含量試驗(yàn)方法》，沿垂直于纖維軸向的橫截面取樣，長為20mm、寬為10mm、高為試驗(yàn)厚度，每組5個(gè)試樣測試?yán)w維體積分?jǐn)?shù)和孔隙率，取平均值。

圖4 CF/PEKK和CF/PEEK預(yù)浸料SEM照片，無損檢測過程照片F(xiàn)ig.4 SEM images of CF/PEKK, CF/PEEK and photo of NDT process

結(jié)果與討論

1 CF/PEKK與CF/PEEK材料基本性能

本文選用的兩種碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料原材料同為聚醚酮樹脂體系成熟單向預(yù)浸料帶材。圖5所示分別為CF/PEKK以及CF/PEEK預(yù)浸料照片，可以看出兩種預(yù)浸料表面質(zhì)量良好，纖維分散及樹脂在面內(nèi)分布均勻，結(jié)合圖4兩種預(yù)浸料的SEM照片所示微觀形貌，也表明兩種材料樹脂包覆纖維表面，界面粘結(jié)良好，材料均勻性與一致性都較好。雖然同為單向預(yù)浸料帶材，但是兩種材料的規(guī)格形式有所差別，進(jìn)而限制了其適用的成型工藝。圖5（a）和（b）所示為Solvay公司推出的CF/PEKK預(yù)浸料，其幅寬為305mm，是面向手工鋪放模壓成型或熱壓罐成型開發(fā)的預(yù)浸料，本文選用高效低成本的模壓成型工藝開展研究；對(duì)應(yīng)地，TenCate公司的CF/PEEK體系同等幅寬（305mm）手工鋪放預(yù)浸料研究開始較早，其模壓成型研究已經(jīng)比較充分。本文采用的是近年來專門適用自動(dòng)鋪絲工藝的6.35mm寬度的預(yù)浸料窄帶，對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)鋪絲結(jié)合模壓兩步法非熱壓罐成型工藝研究。通過兩種近年來新興熱塑性材料體系及適用工藝開展低成本非熱壓罐技術(shù)初步探索，為實(shí)際工程應(yīng)用中材料體系選擇提供一定的參考數(shù)據(jù)。

圖5 CF/PEKK及CF/PEEK預(yù)浸料照片F(xiàn)ig.5 Photos of CF/PEKK and CF/PEEK prepregs

原材料理化性能，特別是樹脂體系熱機(jī)械性能是復(fù)合材料成型工藝窗口設(shè)置的重要依據(jù)，為了合理地設(shè)計(jì)與優(yōu)化CF/PEKK熱塑性復(fù)合材料體系的模壓成型工藝制度，本文首先比較了CF/PEKK和CF/PEEK兩種預(yù)浸料商品的Tg和Tm。其中，Solvay公司CF/PEKK預(yù)浸料的Tg和Tm分別為159℃和337℃；而TenCate公司的CF/PEEK預(yù)浸料Tg和Tm分別為143℃和343℃。為了驗(yàn)證商品手冊(cè)數(shù)據(jù)可靠性，采用DSC對(duì)CF/PEKK預(yù)浸料Tg和Tm進(jìn)行測試比對(duì)，測試條件為25℃到350℃兩次升溫，升溫速率2℃/min，反應(yīng)氣氛和干燥氣氛都是氮?dú)猓瑴y試得到CF/PEKK體系的Tg為157.23℃，Tm為337.20℃，與商品介紹信息接近?？梢园l(fā)現(xiàn)相比PEEK體系，PEKK體系的Tg稍高，而Tm降低6～7℃，說明PEKK體系的耐溫性不低于PEEK體系的情況下，有可能采用較低的成型溫度，從而降低能耗，但是溫度降低空間不大。

相比之下，本文采用的CF/PEEK體系，查閱其商品介紹Tg和Tm分別為143℃和343℃。

2 CF/PEKK模壓成型工藝優(yōu)化及成型質(zhì)量分析

采用模壓成型方法制備CF/PEKK熱塑性復(fù)合材料層合板。本文研究中發(fā)現(xiàn)單層厚度控制是層合板質(zhì)量的重要影響因素。圖6所示為單層厚度控制優(yōu)化前后制備的復(fù)合材料層合板照片及微觀形貌?？梢钥闯?，工藝優(yōu)化前層合板單層厚度控制較差，容易出現(xiàn)層合板翹曲和表面粗糙、不密實(shí)、均勻性差等問題（圖6（a）），相應(yīng)的其厚度方向微觀形貌分析顯示層合板層間存在明顯的分層、孔隙等缺陷，如圖6（b）箭頭所示，大倍率SEM微觀形貌 （圖6（c））顯示纖維表面光滑，與樹脂粘結(jié)差，顯示弱界面特征；相反地，對(duì)單層厚度進(jìn)行控制工藝優(yōu)化后，制備的CF/PEKK層合板表面平整，光滑，均勻性好（圖6（d）），微觀形貌觀察復(fù)合材料層合板層間無明顯可視缺陷，各層層間粘結(jié)狀態(tài)良好，顯示典型的強(qiáng)界面粘接特征，如圖6 （e）、（f）所示。

圖6 不同工藝CF/PEKK復(fù)合材料層合板照片及微觀形貌Fig.6 Photos and SEM images of CF/PEKK composite laminates before and after process optimization

以短梁剪切性能為主要考察指標(biāo)，進(jìn)一步優(yōu)化CF/PEKK體系模壓成型工藝參數(shù)。短梁強(qiáng)度測試依據(jù)ASTM D2344進(jìn)行，典型測試試樣、過程照片及典型載荷–位移曲線如圖7所示?？梢钥闯?，測試的6個(gè)試樣應(yīng)力–應(yīng)變曲線重復(fù)性較好。值得注意的是，CF/PEKK熱塑性復(fù)合材料體系在位移0.5mm附近載荷出現(xiàn)微小降低，之后隨位移增大載荷恢復(fù)并繼續(xù)增大，開始出現(xiàn)大變形，直到試樣破壞，表現(xiàn)出明顯的高韌性特性。

圖7 短梁試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.7 Photos of short beam testing

結(jié)合前文測得的材料Tg和Tm數(shù)據(jù)，參考材料供應(yīng)商介紹及已有文獻(xiàn)[18]，模壓成型溫度設(shè)定為370℃，預(yù)熱時(shí)間和成型時(shí)間設(shè)置為10min，本文主要考察成型壓力和冷卻速率對(duì)短梁強(qiáng)度的影響。按表2所述比較5種不同工藝的CF/PEKK復(fù)合材料層合板短梁強(qiáng)度，結(jié)果如圖8所示。其中工藝1、工藝2和工藝3為相同成型壓力和成型溫度，冷卻速率逐步降低條件下的短梁強(qiáng)度性能，可以看出，冷卻速率對(duì)短梁強(qiáng)度性能有一定影響，但是影響不大，快速降溫（–15℃/min）時(shí)短梁強(qiáng)度稍高，可能是由于快速冷卻過程中大分子鏈段重排的松弛過程滯后于溫度變化的速度，熔融狀態(tài)中纖維/樹脂良好的界面狀態(tài)得以凍結(jié)甚至結(jié)晶，在一定程度上增強(qiáng)了復(fù)合材料層間性能；比較工藝3、4、5這3種工藝中成型壓力對(duì)CF/PEKK短梁強(qiáng)度的影響，可以看出相同成型溫度和冷卻速率下，成型壓力變化對(duì)短梁強(qiáng)度性能有一定影響，隨著成型壓力由6.0MPa（工藝3）降低到0.6MPa（工藝5），制備的層合板的短梁強(qiáng)度由118.95MPa先增大到135.65Mpa后再降低到129.73MPa，成型壓力為2.0MPa時(shí)，制備的復(fù)合材料層合板短梁強(qiáng)度相比工藝優(yōu)化前提高13.73%。這主要是因?yàn)槌尚蛪毫Υ龠M(jìn)樹脂在層內(nèi)以及層間的流動(dòng)，影響樹脂在纖維間的均勻分散。適當(dāng)施加壓力可以使高黏度的熱塑性樹脂在復(fù)合材料層間及層內(nèi)分散更均勻，實(shí)現(xiàn)良好浸潤從而提高材料的界面強(qiáng)度，同時(shí)使層壓板更密實(shí)，減小空隙率，最終提高力學(xué)性能。但過大的成型壓力會(huì)使樹脂流動(dòng)性加大，樹脂在浸潤流動(dòng)遷移過程中還可能引起纖維的偏移或樹脂溢出，反而導(dǎo)致力學(xué)性能降低。

圖8 不同工藝CF/PEKK復(fù)合材料層合板短梁性能對(duì)比Fig.8 Comparison on short beam strength of CF/PEKK composites fabricated using different processes

進(jìn)一步對(duì)破壞后的短梁試樣破壞斷口進(jìn)行分析，如圖9所示，可以看出短梁試驗(yàn)過程中試樣破壞為層間破壞模式，值得注意的是，高倍率下的SEM照片中CF/PEKK復(fù)合材料層合板短梁破壞斷口表現(xiàn)出羽毛狀破壞形貌，可能在破壞初期界面脫粘，但是高韌性樹脂仍有粘接，隨著應(yīng)力不斷增大樹脂逐步延展至最終破壞，表現(xiàn)出高韌性破壞特性。

圖9 短梁試樣破壞模式Fig.9 Photo and SEM images of failure samples

采用超聲波掃描顯微鏡和金相檢測對(duì)制備的復(fù)合材料層合板進(jìn)行無損檢測和纖維含量及孔隙率分析。得到工藝4對(duì)應(yīng)CF/PEKK復(fù)合材料層合板的無損檢測掃查圖像及金相檢測結(jié)果如圖10所示。圖10（a）和（b）分別為掃查圖像和典型波形，可以看出，CF/PEKK層合板掃描圖像亮度均勻，亮度高，檢測波形界面明顯，上表面和下表面界面清晰，波峰高，表明層合板內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，沒有孔隙等缺陷，成型質(zhì)量良好。圖10（c）和（d）所示為典型金相顯微照片、纖維含量和孔隙率，可以看出，制備的復(fù)合材料層合板纖維組織致密，測試5個(gè)試樣取平均值，所得纖維體積分?jǐn)?shù)為61.8%，孔隙率為0。進(jìn)一步表明成型質(zhì)量良好，與短梁性能和SEM微觀形貌特征一致。

圖10 CF/PEKK復(fù)合材料層合板無損檢測及金相檢測結(jié)果Fig.10 NDT and metallographic testing images of CF/PEKK composite laminates

3 CF/PEEK自動(dòng)鋪絲工藝特性及性能對(duì)比分析

按前文所述熱塑性復(fù)合材料層合板制備步驟，采用6.35mm寬度的CF/PEEK單向預(yù)浸料窄帶，通過自動(dòng)鋪絲結(jié)合模壓成型兩步法制備CF/PEKK熱塑性復(fù)合材料層合板。自動(dòng)鋪絲制備的CF/PEEK預(yù)制體及經(jīng)過模壓后成型后制備的CF/PEEK層合板照片如圖11所示。可以看出自動(dòng)鋪絲制備的預(yù)制體表面平整，但是可以看出CF/PEEK窄帶間間隙，模壓后成型后層合板更平整密實(shí)。采用磁力測厚儀測試層合板厚度計(jì)算單層厚度（CPT），測試得到的自動(dòng)鋪絲原位成型預(yù)制體的單層厚度為0.210mm，經(jīng)模壓后單層厚度降低至0.194m，這是因?yàn)樽詣?dòng)鋪絲過程鋪絲壓力較低，鋪放過程中激光加熱可以實(shí)現(xiàn)層間粘結(jié)，但是原位成型加熱時(shí)間較短且壓力較低，樹脂在層間流動(dòng)有限，因而自動(dòng)鋪絲預(yù)制體層間粘結(jié)較弱。經(jīng)模壓后成型后，模壓過程中進(jìn)一步施加壓力，且加熱加壓時(shí)間充足樹脂得以充分流動(dòng)，層間間隙減小，單層厚度降低，層間粘結(jié)強(qiáng)度提高。

圖11 CF/PEEK自動(dòng)鋪絲預(yù)制體及模壓后成型層合板Fig.11 Photos of AFP preform and hotpressed laminate of CF/PEEK composites

同樣，對(duì)自動(dòng)鋪絲結(jié)合模壓兩步法制備的CF/PEEK層合板進(jìn)行無損檢測，并取樣進(jìn)行金相觀察、短梁強(qiáng)度測試及破壞后試樣SEM觀察，如圖12所示?？梢钥闯鐾饶汗に嚄l件下（工藝3），與CF/PEKK體系相似，CF/PEEK體系制備的層合板表面平整密實(shí)，金相觀察沒有明顯大尺寸內(nèi)部缺陷（圖12（b））,無損檢測掃描圖像（圖12（a））顯示大部分區(qū)域掃查圖像亮度均勻，亮度高，表明層合板內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，成型質(zhì)量較好。但是層合板邊緣區(qū)域無損檢測圖像亮度有一定變化，主要是因?yàn)檫吘壣倭繕渲瑪D出導(dǎo)致。進(jìn)一步參考ASTM D2344測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行短梁剪切試驗(yàn)，得到的載荷–位移曲線如圖12（c）所示，可以看出6個(gè)試樣重復(fù)性較好分散性較小，計(jì)算得到的短梁剪切強(qiáng)度平均值為（104.11±0.67）MPa，離散系數(shù)0.65%，穩(wěn)定性較好。從圖12（d）SEM所示破壞模式看，為層間剪切破壞和上表面壓縮破壞的復(fù)合破壞，且出現(xiàn)多層層間破壞現(xiàn)象。

圖12 CF/PEEK復(fù)合材料層合板Fig.12 CF/PEEK composite laminated plates

值得注意的是，雖然CF/PEEK復(fù)合材料與CF/PEKK體系短梁剪切破壞模式相近，都為典型的層間破壞，但是測試過程中自動(dòng)鋪絲CF/PEEK復(fù)合材料表現(xiàn)出與CF/PEKK體系不同的微觀破壞行為。CF/PEEK體系載荷–位移曲線顯示載荷隨位移增大而持續(xù)增大，直到最終破壞，沒有在出現(xiàn)CF/PEKK體系（圖7（c））所示的載荷輕微下降后再回升現(xiàn)象。同時(shí)，SEM照片顯示CF/PEEK層合板破壞后斷口比較整齊，沒有出現(xiàn)與CF/PEKK體系一致的羽毛狀樹脂裂紋（圖9（b））。測試得到相同工藝條件下，CF/PEEK和CF/PEKK體系的短梁強(qiáng)度分別為104.11MPa和118.95MPa，CF/PEKK體系稍高。這一方面是由于自動(dòng)鋪絲原位成型CF/PEEK預(yù)制體的過程中難免由于加熱或鋪放不均勻造成輕微的纖維損傷降低材料性能；另一方面，所對(duì)比的工藝條件成型溫度為370℃，對(duì)于PEKK體系可能是較優(yōu)的成型工藝溫度，但是對(duì)于PEEK體系，因其熔點(diǎn)稍高，可能同等溫度、壓力和時(shí)間條件下樹脂軟化和流動(dòng)不充分。關(guān)于CF/PEEK自動(dòng)鋪絲結(jié)合模壓兩步法成型工藝控制、兩種體系表現(xiàn)出的破壞行為差異及相應(yīng)機(jī)理有待進(jìn)一步深入研究進(jìn)行優(yōu)化。

結(jié)論

本文以備受關(guān)注的CF/PEEK和CF/PEKK熱塑性預(yù)浸料體系為研究對(duì)象，對(duì)其適用的低成本模壓成型、自動(dòng)鋪絲結(jié)合模壓兩步法原位成型兩種工藝進(jìn)行初步探索，并對(duì)兩種體系的材料及性能進(jìn)行對(duì)比分析，研究結(jié)果可為未來航空主承力結(jié)構(gòu)熱塑性復(fù)合材料的材料體系選擇提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和參考。主要結(jié)論如下：

（1）對(duì)比分析了所選用CF/PEKK和CF/PEEK單向帶預(yù)浸料的表面狀態(tài)、微觀形貌、規(guī)格形式及Tg、Tm，分析了材料質(zhì)量特點(diǎn)及工藝適用性差異。建議305mm幅寬CF/PEKK體系采用模壓成型，而6.35mm寬CF/PEEK窄帶采用自動(dòng)鋪絲結(jié)合模壓兩步法成型工藝。

（2）對(duì)CF/PEKK復(fù)合材料模壓成型工藝進(jìn)行了初步優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)控制固化后單層厚度是成型良好的關(guān)鍵。比較不同成型壓力和冷卻速率下CF/PEKK層合板短梁強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)冷卻速率對(duì)短梁強(qiáng)度影響不大，成型壓力對(duì)短梁剪切強(qiáng)度有一定影響。在成型壓力2.0MPa、成型溫度370℃、冷卻速率–15℃/min工藝條件下，CF/PEKK復(fù)合材料短梁強(qiáng)度達(dá)到（135.65±4.72）MPa，破壞斷口微觀形貌表現(xiàn)出明顯的高韌性特征，無損檢測及顯微觀察證明得到復(fù)合材料成型質(zhì)量良好，對(duì)應(yīng)纖維體積分?jǐn)?shù)為61.8%，孔隙率為0。

（3）初步探索了CF/PEEK體系自動(dòng)鋪絲結(jié)合模壓兩步法原位成型工藝，與CF/PEKK同等工藝條件下（成型壓力2.0MPa、成型溫度370℃、冷卻速率–2℃/min）成型質(zhì)量良好，破壞模式相近，但是短梁強(qiáng)度較低，微觀破壞行為有一定差異。說明雖然同為聚醚酮體系，但是CF/PEKK和CF/PEEK體系在具體成型工藝和性能上仍有差異，建議進(jìn)一步研究優(yōu)化，本文結(jié)果可為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)參考。

致謝

感謝北京航空航天大學(xué)顧軼卓副教授在理化性能測試、熱壓機(jī)等方面的條件支持，感謝北研中心張揚(yáng)森、楊海楠等同事在論文研究中的幫助和支持。