摘 要:为提高复合材料成型工艺的效率和材料性能,课题组研究了成型压力对碳纤维增强聚醚醚酮(CarbonFiber/ Polyether-Ether-Ketone,CF/PEEK)复合材料性能的影响,并设计了监测不同成型压力下性能变化的实验方法｡该方法结 合了修正梁理论和J积分理论,计算得到载荷-拉伸总位移曲线､R曲线及纤维桥接牵引力,同时利用扫描电子显微镜和 光学显微镜对层间断裂韧性和纤维桥接牵引力进行深入研究｡实验结果表明:成型压力对复合材料的性能有显著影响, 适当的成型压力有助于树脂均匀渗透并增强纤维与基体的结合,从而提高复合材料的致密性､抗断裂性和韧性;过高的 成型压力可能导致树脂流失､界面结合力下降及纤维桥接牵引力减弱;而过低的成型压力则可能导致树脂渗透不完全,产 生空隙或气泡,进而影响材料的力学性能｡因此,将成型压力控制在适当范围内是提升复合材料性能的关键手段之一｡
关 键 词:复合材料;碳纤维增强聚醚醚酮;成型压力;层间断裂韧性;纤维桥接
论文《成型压力对碳纤维增强聚醚醚酮复合材料性能的影响》发表在《轻工机械》，版权归《轻工机械》所有。本文来自网络平台，仅供参考。
碳纤维增强聚醚醚酮(CarbonFiber/PolyetherEther-Ketone,CF/PEEK)复合材料作为一种高性能工 程材料,以其优异的机械性能､耐高温性和抗腐蚀性, 被广泛应用于航空航天､汽车和医疗等领域｡碳纤
维的引入使得PEEK基体复合材料的力学性能得到显
著提升｡其中,纤维桥接牵引力作为表征纤维与基
体之间相互作用的核心参数,直接影响复合材料的断
裂韧性､抗疲劳性能及整体结构的可靠性｡
热压成型工艺是CF/PEEK复合材料生产的重要 方法,成型过程中涉及的工艺参数,如成型温度､保温 时间和冷却速率等,都会影响复合材料的微观结构和 宏观性能｡然而,成型压力被认为是最关键的控制
参数之一,它直接影响基体的流动性､纤维分布､纤维 与基体的结合程度,以及最终的纤维桥接牵引
力｡研究表明:成型压力的变化不仅能显著调整
复合材料的力学性能,还能优化其界面粘结强度,从而
改善复合材料的整体韧性和疲劳耐久性｡
尽管已有研究初步探讨了成型压力对CF/PEEK 复合材料性能的影响,但成型压力如何具体调控纤维 桥接牵引力,及其在不同工艺条件下的作用机制仍缺 乏深入､系统的研究｡因此,课题组重点探究了成型压 力对CF/PEEK复合材料纤维桥接牵引力的影响,结 合现有文献研究不同成型压力下复合材料的力学表 现,并探讨其作用机理｡通过这一研究,旨在为优化热 压工艺提供理论依据,并提出未来改进方向,进一步推 动CF/PEEK复合材料在高端应用领域的广泛应用｡ 通过对成型压力的深入研究,可以在提高CF/PEEK 复合材料力学性能的同时,降低生产成本,提升生产效 率,促进这一高性能材料在航空航天､汽车及医疗等行 业中的应用｡
1 实验设计与实施方法
1.1 主要实验设备与原材料
1.2 样本制备过程
课题组采用模压成型工艺制备单向CF/PEEK热 塑性复合材料层合板,主要步骤包括预处理､铺放､预 热､成型､冷却脱模及性能检测等。首先,将裁剪好的预浸料依次层叠铺于模具中, 碳纤维铺层方向为[0°/0°],同时在中间层中插入耐 高温聚酰亚胺薄膜;随后,将预浸料铺层与模具一起放 入热压机中;为确保预浸料铺层在模压过程中受热均 匀,需要设置梯度升温,同时为保证CF/PEEK层合板 的制备质量,需要根据预浸料铺层的状态调节压力,成型板材被切割为长为 148.0mm､宽为24.5mm,且预设裂纹长度为50.0 mm,所制得的标准双悬臂梁(DoubleContileverBeam, DCB)试样。
1.3 测试
为评估复合材料的层间断裂韧性,课题组采用双 悬臂梁实验方法,该方法基于ASTMD5528标准,是测 定Ⅰ型层间断裂韧性(ModeICriticalEnergyRelease Rate,GIC)的标准测试技术,能够有效地表征材料抵抗 分层扩展的能力｡实验使用了万能材料试验机对 CF/PEEK复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性进行测试｡ 根据弹性应力场解,应力在弹性裂纹尖端趋于无穷大, 导致近尖端区域的应变高度集中｡因此,可采用最大 应变法来确定裂纹尖端位置｡课题组采用微分干涉显 微镜(DifferentialInterferenceContrastMicroscope,DIC) 监测并记录裂纹尖端位置及裂纹尖端开口位移可以保 证数据的可靠性｡
ASTMD5528单向纤维增强聚合母体复合材料Ⅰ 型层间断裂韧性的标准试验方法提出了3种不同的确 定层间断裂韧性的方法:修正梁理论(ModifiedBeam Theory,MBT)､柔度校准法和修正柔度校准法｡由于 这些方法得到的结果非常相似,因此,课题组选择
了MBT方法来计算断裂韧性｡
修正梁理论计算得到的断裂韧性为:
[G_{IC}=frac{3 P delta}{2 B(a+|Delta|)} 。 (1)]
式中: P 为载荷,δ为加载点的位移, B 为试样的宽度, 为裂纹扩展长度, (|Delta|) 为校正分层前沿的旋转｡
(G_{IC}) 分为初始断裂韧性 (G_{ini, IC }) 和扩展断裂韧性 (G_{prop, IC}) ｡ (G_{ini, IC }) 是通过基于最大应力法得到的裂纹点计 算得到的; (G_{prop, IC }) 是在形成稳定R曲线后,通过对 (G_{IC}) 求平均值来得到的｡
桥接牵引力通常定义为预裂尖端开口位移 (delta^{*}) 的 函数,即 (sigma_{b}=sigma_{b}(delta^{*})^{[15] 607}) ｡在Ⅰ型加载下,求取桥接 牵引力的常采用与路径无关的J积分法｡根据J积分 法,沿包括桥接区和裂纹尖端中的裂纹面路径的总能 量释放率有:
[G_{IC}=G_{ini, HC}+int_{0}^{delta_{f}} sigma_{h}left(delta^{*} ight) d delta^{*} 。 (2)]
式中: (G_{IC}) 为总能量释放率, (G_{ini, , IC }) 为在预裂纹尖端测量 的初始断裂韧性, (delta^{*}) 为预裂尖端开口位移, (delta_{f}) 为桥接 区末端开口位移临界值｡
当预裂尖端开口位移 (delta^{*}) 等于桥接区尖端开口位 移初始值时,桥接牵引力最大;而当 (delta^{*}) 等于桥接区末 端开口位移临界值时,桥接牵引力较小,近乎为0｡
当分离达到最大值时,即 (delta^{*}=delta_{f}) ,桥接牵引力消 失,总能量释放率 (G_{IC}) 达到稳定值,即 (G_{IC}=G_{prop }) ,其中 (G_{prop }) 为稳态断裂韧性｡当 (delta^{*}) 等于桥接区尖端开口位 移初始值时,桥接牵引力 (sigma_{b}) 有:
[sigma_{h}left(delta^{*} ight)=frac{partial G_{IC}}{partial delta^{*}}]
为了便于计算桥接牵引力 (sigma_{b}(delta^{*})) ),应在整个试 验过程中记录J积分和 (delta^{*}) 数据,根据最佳拟合曲线将 得到 (G_{IC}-delta^{*}) 的关系｡在本研究中, (G_{IC}) 的值是由式(1 得到的｡值得注意的是在J积分法中,桥接牵引力的 分布受 (G_{IC}-delta^{*}) 曲线拟合的影响很大,特别是在裂纹扩 展的初始阶段｡因此,必须仔细记录足够数量的测试 数据,以最大限度地减少这种影响,特别是当 (delta^{*}) 的值 很小时｡
1.4 断面观测
为了在微观尺度上识别不同的损伤机制和损伤模 式,使用JSM-IT100型扫描电子显微镜对断口进行了 分析｡在扫描电子显微镜成像之前,在样品表面涂覆 了一层超薄的金涂层｡
2 结果与讨论
2.1 载荷-位移曲线和R曲线
不同成型压力下CF/PEEK层合板的裂纹扩 展类型均呈现不稳定扩展,这主要是由于富树脂区分 布不均匀,破坏了新纤维剥离与旧纤维折断之间的平
衡状态;在相同裂纹扩展长度下,过高的成型压力并未 提高试样的峰值载荷和层间断裂韧性,反而起到了抑 制作用,这与树脂含量､浸润效果以及高压下聚合物链 的运动状态密切相关,高成型压力条件下,CF/PEEK 的树脂含量减少,导致浸润效果较差｡使用密度法的 测试结果显示成型压力为0.8MPa的试样的纤维体积 分数为55.1%,成型压力为0.5MPa的试样的纤维体 积分数61.8%｡此外,高分子链在上､下模具的挤压 作用下,限制了其向上､下层碳纤维束的运动,而更多 地沿层间平行方向移动,这导致了较少的纤维形成桥 接｡基于所用热压模具类型的缘故,当成型压力超过 1.0MPa时,树脂对纤维丝束的浸润性无法进一步改 善,反而导致大量树脂被挤出模具,从而使层间树脂含 量过低｡因此,为保证试样的成型,选择成型压力为 0.2~0.8MPa｡
2.2 纤维桥接分析
课题组使用微分干涉显微镜DIC测量预裂尖端 开口位移 (delta^{*}) 以确定桥接牵引力｡
通过式(3)可以得到桥接牵引力,使用指数函数 拟合 (G_{IC}-delta^{*}) 数据,得到 (G_{IC}(delta^{*})) )的公式:
[G_{IC}left(delta^{*} ight)=m e^{n × delta^{*}}+p e^{q × delta^{*}} 。 (4)]
式中: m , n , P 和 q 是通过曲线拟合确定的拟合效果最 佳的拟合参数｡
对式(4)两端关于 (delta^{*}) 进行微分,得到桥接牵引力 (sigma_{b, 0}) ｡桥接 牵引力 (sigma_{b}) 与 (delta^{*}) 呈非线性关系,同时,不同成型压力样 品之间桥接牵引力 (sigma_{b}) 的衰减速度不同｡牵引分离关 系下的面积定义为分层增长过程中纤维桥接区中耗散 的能量,等于初始断裂韧性与稳态断裂韧性之间的绝 对差｡最大桥接牵引力 (sigma_{b}) 和纤维桥接区末端最大开 口位移(或裂纹尖端最大开口位移) (delta_{max }) 通常被认为是 研究桥接规律的2个关键参数,它们明显受到成型压 力的影响｡拟合函数､数据点数量和尖端开口位移的 测量都会影响桥接牵引力计算的准确性｡课题组采用 的拟合函数是合适的,并且已在文献中
得到验证,同时使用DIC方法测量预裂纹尖端的开口 位移,确保了得到的桥接牵引力的准确性｡
2.3 断面分析
结合扫描电子显微镜图片分析可知:成型压力为0.2MPa 的样品由于成型压力过低,树脂渗透不完全,导致复合 材料的断面存在明显空隙,纤维与基体之间的界面结 合力不足,空隙的存在大大削弱了复合材料的力学性 能,表明较低的成型压力未能有效促进树脂的浸润;成 型压力为0.8MPa的样品由于成型压力过高,树脂含 量有所下降,影响了树脂对纤维的浸润效果,过高的成 型压力还抑制了高分子链的流动性,导致树脂在纤维 表面的分布不均匀,从而减弱了纤维的桥接效应,此 外,高压条件下,纤维的排列可能因受到压缩而错乱, 进而降低了纤维与基体之间的界面结合力;成型压力 为0.5MPa的样品断面显示树脂均匀地渗透到纤维表 面,促进了纤维与基体之间的有效结合,确保了复合 材料的致密性和均匀性,这说明在适当的成型压力下,树 脂渗透性较好,纤维与基体的结合力得到增强,从而提 高了复合材料的力学性能和结构完整性｡
3 结论
为了探究成型压力对碳纤维增强聚醚醚酮 (CF/PEEK)复合材料性能的影响,提升复合材料的成 型工艺效率和材料性能,课题组采用标准双悬臂梁
DCB实验,并结合修正梁理论和J积分理论,监测和分 析了复合材料在不同成型压力下的性能变化,得出以 下主要结论:
1)过高的成型压力会导致树脂含量降低,进而影 响树脂对纤维的浸润效果｡在过高的压力下,高分子 链的流动受到抑制,纤维的桥接效应减弱;此外,高压 条件下,纤维的排列可能受到压缩而错乱,进而降低了 纤维与基体之间的界面结合力｡在这些因素综合作用 下,复合材料的抗断裂性和韧性显著下降｡
2)过低的成型压力会导致树脂渗透不完全,界面 结合力不足,纤维与基体之间的结合较弱,且复合材料 内部存在空隙或气泡,这些缺陷会降低复合材料的力 学性能,特别是影响材料的整体强度和抗冲击性能｡
3)适当的成型压力是实现复合材料优异性能的 关键｡在合理的成型压力下,树脂能够均匀地渗透到 纤维表面,促进纤维与基体之间的有效结合,确保复合 材料的致密性和均匀性,提高其抗断裂性能､韧性和力 学稳定性｡
综上所述,成型压力对复合材料的微观结构和宏 观性能具有重要影响｡为了获得高性能的复合材料, 应控制成型压力在适当范围内,避免过高或过低的成 型压力,确保树脂与纤维之间良好的界面结合,以优化 复合材料的力学性能与可靠性｡
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