振动辅助热粘接技术提升CF/PEEK热塑性复合材料层间剪切强度的机理研究

本研究针对自动铺丝工艺中热塑性复合材料粘接强度不足的难题，创新性地提出了振动辅助热粘接技术。通过自主研发的集成加热与振动压力的实验平台，系统探究了预热时间、模具温度、保压时间、 Consolidation pressure 及振动频率等参数对CF/PEEK复合材料单搭接剪切强度的影响。结果表明，该技术能有效利用聚合物的剪切稀化特性，在较低温度（355 °C）和较短时间内显著提升粘接强度（最高提升85%），为高性能热塑性复合材料的高效低成本制造提供了新策略。

　　

在航空航天和汽车工业追求轻量化与高性能的今天，复合材料扮演着越来越重要的角色。其中，热塑性复合材料以其优异的抗疲劳性、耐化学性、可回收性、高断裂韧性以及卓越的抗冲击性能，相较于传统热固性复合材料展现出显著优势。尤其引人注目的是，它们能够通过自动铺丝工艺实现原位固化，这有望省去耗能巨大的热压罐后固化环节，从而大幅降低制造成本和能源消耗。然而，理想很丰满，现实却很骨感。自动铺丝工艺极短的加工时间窗口，给实现理想的层间粘接强度带来了巨大挑战。研究表明，通过自动铺丝原位固化的碳纤维/聚醚醚酮复合材料的层间剪切强度通常仅为47-51 MPa，远低于热压罐固化样品所能达到的92.7 MPa。这成了制约该技术广泛应用的一个主要瓶颈。

为什么自动铺丝工艺的粘接效果会打折扣呢？这得从热塑性复合材料的融合粘接机理说起。这个过程主要包括三个关键步骤：加热、压实和固化。在加热阶段， incoming tape（即将铺放的预浸料带）被加热至其热塑性基体的熔点以上。在随后的压实阶段，料带发生变形，使其与下层基材紧密接触。最后，在固化阶段，材料冷却并结晶。其中，压实阶段尤为关键，它直接决定了层与层之间的粘接强度。该阶段包含两种机制：一是紧密接触的形成，即通过软化表面凹凸不平处的铺展来增加界面接触面积；二是愈合过程，即聚合物链在已接触的界面间扩散交织。这两个过程深受处理温度、压力、时间以及材料体系粘度的影响。

为了提升自动铺丝制件的质量，研究人员们可谓绞尽脑汁。有的尝试通过使用多个压实辊、加热模具或多支火炬来延长压实时间；有的探索在聚合物熔点以下甚至接近玻璃化转变温度进行粘接的可能性；还有的研究了重复加热碾压的“熨烫”效应、添加PEEK薄膜夹层或采用原位红外退火策略等。这些方法虽有一定效果，但往往存在工艺复杂、可能引起材料降解或结晶度变化等问题。看来，要想在自动铺丝有限的加工时间内实现强力粘接，我们需要另辟蹊径。

传统的振动焊接技术，如超声波焊接和振动焊接，主要依靠部件接触面摩擦生热来实现连接。但它们也存在一些固有缺点：超声波焊接强度通常较低，且需要能量导向器来集中热量；振动焊接则容易导致界面处材料挤出形成飞边，改变纤维取向，从而削弱强度。更重要的是，这两种方法产生的振动能量主要贡献于升高界面温度，用于降低材料粘度的份额很小。那么，能否扬长避短，发展一种新的振动辅助方法呢？

正是在这样的背景下， Concordia University的研究团队独辟蹊径，提出了一种名为“振动辅助热粘接”的创新技术。这项技术的核心思路非常巧妙：它并非主要依靠振动来产生热量，而是在材料被预先加热的基础上，施加一种亚超声波范围的振动压力。其主要目的，是利用振动引入的剪切速率，主动地、有针对性地降低聚合物熔体的粘度。我们知道，像PEEK这样的热塑性聚合物熔体具有“剪切稀化”的特性——当施加的剪切速率增加时，其粘度会显著下降。这就好比搅拌蜂蜜会比静置时更容易倾倒一样。VATB技术正是旨在主动利用这一特性，在粘接界面处创造更低的粘度环境，从而促进树脂流动、界面亲密接触和聚合物链的扩散，最终在更短的时间和更低的温度下实现高质量的固化粘接。为了验证这一想法，研究人员设计并制造了一台集成了电加热和振动压力功能的专用设备，并系统地研究了各种粘接参数对CF/PEEK复合材料层间剪切强度的影响。这项研究成果发表在《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》上，为高效制备高性能热塑性复合材料提供了新的解决方案。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了几个关键技术方法：首先是自主设计并搭建了振动辅助热粘接实验系统，该系统能够独立精确控制加热温度、 Consolidation pressure、振动频率和振幅等关键工艺参数。其次，研究采用了单搭接剪切测试作为评价粘接质量的核心手段，依据ASTM D5868-01标准制备试样并测试其 Lap Shear Strength。此外，为了深入理解粘接过程中的热行为，研究还利用快速响应K型热电偶实时监测了粘接界面的温度历程。实验材料为购自Cytec Solvay Group的AS4/APC-2碳纤维/PEEK预浸料。

4.1. Lap shear strength

研究结果非常令人鼓舞。与传统的单纯热粘接相比，引入振动辅助后，粘接强度得到了显著提升。在模具温度为355 °C、保压时间仅为5秒的条件下，施加振动可使剪切强度比传统热粘接提高约85%。即使在较高的375 °C下，仍能观察到22%的提升。这种增强效果随着振动频率的增加（最高至600 Hz）而变得更加明显，但频率超过600 Hz后，改善效果趋于平缓。微观形貌分析显示，振动促进了树脂在粘接界面上更均匀的分布，增加了有效粘接面积。强度提升主要归因于两个因素：一是振动垂直于粘接界面的作用促进了聚合物链在界面间的穿插扩散；二是振动导致的剪切稀化效应降低了树脂粘度，改善了流动性和界面亲密接触。

4.2. The effect of frequency on the lap shear strength

频率的影响在不同工艺条件下表现出一致趋势：增加频率（至600 Hz）总能提高粘接强度，但此后继续增加频率则效果不显。这种影响的显著程度取决于温度和保压时间。例如，在5秒保压时，355 °C下的强度提升高达85%，而375 °C下为22%。这种现象与聚合物的流变特性相关，也可能受到振动系统机械性能的限制。

4.3. The effect of preheating time on the lap shear strength

预热时间对VATB效果有重要影响。在较短的5秒预热时间下，振动辅助带来的强度提升更为显著。这是因为较短预热时间下界面温度较低，树脂保留在粘接区域，为振动发挥剪切稀化作用、降低粘度提供了更大空间。而较长预热时间（15秒）导致界面温度接近模具设定温度，树脂流动性过强，反而可能因振动被挤出界面，削弱了振动效果。

4.4. The effect of mold temperature on the lap shear strength

模具温度升高，振动带来的增强效果相对减弱。在保持其他参数不变时，振动在低温下（如355 °C）的提升效果远高于高温下（如375 °C）。这主要是因为高温下聚合物熔体粘度本身已较低，通过剪切稀化进一步降粘的空间有限。界面温度测量表明，实际焊接温度受预热时间影响，这解释了为何相同模具温度下，不同预热时间会观察到不同的振动效果。

4.5. The effect of holding time on the lap shear strength

延长保压时间有利于提高粘接强度，这源于聚合物链有更长时间进行扩散。研究指出，VATB提供了一种新途径：即通过施加振动压力，可以在更短的保压时间和更低的温度下，达到与传统热粘接（长时间、高温）相近的粘接强度。这有助于避免高温可能导致的聚合物降解、形状改变、残余热应力增加和结晶度变化等问题。

4.6. The effect of compaction pressure on the lap shear strength

Consolidation pressure 对粘接强度的影响存在一个最佳值（本研究中发现约为8 MPa）。压力过低或过高都不利于获得最佳强度。振动辅助在较低压力下表现出更明显的增强效果。压力过高可能会限制振动系统的振幅，从而削弱其效果。此外，压力本身也会影响熔体粘度。

4.7. Interfacial temperature profile

界面温度历程测量显示，振动辅助热粘接过程中的温度升高主要来源于模具的传导加热，振动本身产生的热量极少（低于1 °C）。这证实了VATB技术中振动的主要作用并非加热，而是通过引入剪切速率来改变聚合物的流变行为，促进粘接。

4.8. Tape width variation

对粘接后试样本体宽度的测量为粘度变化提供了间接证据。振动辅助粘接的试样表现出更大的宽度增加（即挤压流动），这与振动导致粘度降低的分析一致。该效应在低温下更显著，高温下减弱，甚至在390 °C时因聚合物降解导致粘度回升，挤压流动减小。微观截面观察也显示，VATB试样层间边界更模糊，间距更小，表明振动促进了层间压实。

本研究成功验证了振动辅助热粘接技术作为一种创新方法，在提升CF/PEEK热塑性复合材料粘接强度方面的巨大潜力。该技术通过巧妙利用聚合物的剪切稀化行为，在不过度依赖高温和长时间处理的前提下，显著促进了界面亲密接触和聚合物链扩散。研究结果表明，VATB不仅能实现高达85%的强度提升，更重要的是，它为实现高性能热塑性复合材料的快速、低温、低成本制造开辟了新途径。这对于推动自动铺丝等自动化制造技术在航空航天和汽车工业中的更广泛应用具有重要意义，有望减少对能源密集型后处理工艺的依赖，带来显著的经济和环境效益。