连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料在热压压缩成型过程中固结时间的影响

本研究对比了热压成型与真空袋成型（VBO）对CF/PEEK复合材料性能的影响。结果表明，热压在390°C、5分钟时获得最高抗剪切强度（87MPa）和最低孔隙率（0.35%），同时结晶度达32%，优于VBO工艺（ILSS 70MPa，结晶度20%）。热压因高压快速压实，减少纤维-基体界面缺陷，而VBO长时间高温导致材料降解。研究证实短时热压工艺可兼顾质量与效率，为航空航天高性能部件制造提供新思路。

　　
CF/PEEK复合材料的热压成型工艺优化及与真空袋成型的对比研究，揭示了短时高压工艺在提升材料性能方面的显著优势。该研究聚焦于长纤维增强热塑性复合材料的成型缺陷控制，重点探讨了热压成型中固化时间对层间剪切强度（ILSS）、孔隙率及结晶度的影响，并与传统真空袋成型（VBO）进行了系统性对比。

### 关键发现与工艺优化
1. **层间剪切强度最大化**
热压成型在390°C下保持5分钟时，ILSS达到87 MPa，较VBO工艺提升20%。高压（4 MPa）有效促进纤维与基体的界面结合，减少层间分离风险。而VBO工艺因压力较低（约0.1 MPa），导致界面结合强度不足，ILSS仅为70 MPa。

2. **孔隙率控制与工艺参数关联性**
热压成型在5分钟时孔隙率低至0.35%，与VBO工艺30分钟后的孔隙率（0.35%）相当。但VBO在冷却阶段（3°C/min）导致孔隙率回升至0.38%，而热压的快速冷却（3°C/min）配合高压环境，有效抑制孔隙生长。值得注意的是，孔隙分布形态存在显著差异：热压成型纤维呈现局部迁移聚集，形成致密纤维区与富树脂区交替结构；VBO则呈现均匀分布但含垂直气泡通道（SEM观察），易引发剪切失效。

3. **结晶动力学与机械性能关联**
热压成型的结晶度达32%，较VBO的20%提高60%。结晶相的有序排列显著提升材料刚度（动态力学分析显示热压样品存储模量比VBO高25%）。DSC分析表明，VBO工艺因长时间高温（400°C）导致PEEK分子链氧化交联，表现为结晶起始温度（Tc）和熔融温度（Tm）双峰偏移（分别降低44°C和37°C），而热压样品因短时加工未出现明显降解信号。

4. **工艺效率与成本效益**
热压成型在5分钟内完成全固化，较VBO（总时长5小时以上）效率提升300倍。同时，热压工艺在相同孔隙率下（<1%），允许使用更低温度（390°C vs VBO 400°C），降低能耗与材料降解风险。这种高效低耗特性使其在航空结构件制造中具有显著经济优势。

### 技术原理解析
热塑性复合材料的成型依赖于高分子链的流动性重组。在390°C高压环境下，PEEK矩阵达到完全熔融状态（玻璃化转变温度143°C，熔融温度343°C），纤维与基体实现分子级浸润。5分钟短时固化通过以下机制实现性能优化：
- **压力梯度效应**：4 MPa压力迫使树脂向纤维间隙渗透，消除初始预浸料孔隙（约0.5-1.2%）
- **结晶动力学调控**：快速冷却（3°C/min）抑制链段运动，促进β-结晶相（PEEK主要结晶形态）的择优生长
- **界面强化机制**：高压使纤维产生微弯，增加界面接触面积，提升剪切载荷传递效率

### 工艺对比与市场应用前景
| 指标 | 热压成型（5min） | VBO（30min） | 行业标准 |
|---------------|------------------|--------------|----------|
| ILSS (MPa) | 87 | 70 | >60 |
| 孔隙率 (%) | 0.35 | 0.38 | <1 |
| 结晶度 (%) | 32 | 20 | >25 |
| 单件成型耗时 | 5min | 300min | - |

该研究验证了热压成型在航空部件制造中的可行性，其核心优势体现在：
- **工艺窗口狭窄性突破**：传统观点认为30分钟以上固化才能保证孔隙率<1%，但本研究证明在优化压力（4 MPa）和温度（390°C）下，5分钟即可达到同等效果。
- **分子链可控性提升**：短时加工避免氧化交联（VBO样品Tm下降37°C表明降解），保留PEEK原始分子链结构（重复单元94-129），确保长期使用温度稳定性（PEEK极限使用温度250°C）。
- **复杂构件适应性**：虽然热压设备限制在平板类构件（尺寸150×75×2mm3），但其高压环境可促进三维纤维铺层结构的渗透，为未来开发锥形等复杂构件奠定基础。

### 行业影响与技术创新
本研究成果填补了热塑性复合材料短时成型工艺的数据空白，为航空制造提供了关键参数：
1. **工艺参数标准化**：建立390°C/4MPa/5min的快速成型窗口，较现有文献推荐的380°C/3.5MPa/30min（Zhang et al., 2021）效率提升6倍。
2. **缺陷控制新范式**：首次系统揭示孔隙率与固化时间的非线性关系（热压5min时孔隙率较30min仅低0.02%），证实短时高压优于长时间低压成型。
3. **再生利用潜力**：PEEK基体可承受300°C高温解冻，为开发可回收热塑性复合材料的闭环工艺提供技术支撑。

该研究对航空复合材料产业的启示在于：通过精确控制加工参数（温度、压力、时间），可在保证材料性能的前提下实现加工速度的跨越式提升。特别在大型客机结构件制造中，传统VBO工艺需要停机数周进行批量固化，而热压成型可将周期压缩至小时级，这对应急维修和快速迭代开发具有战略意义。

### 技术挑战与未来方向
当前研究仍面临以下挑战：
1. **纤维取向控制**：在5分钟成型周期内，需开发新型纤维铺放设备（如 AFP-In-Can）以实现三维纤维分布调控。
2. **界面化学增强**：探索添加纳米填料（如石墨烯，0.5wt%）对界面剪切强度的提升潜力（现有研究显示添加1wt%纳米管可使ILSS提升15%）。
3. **规模化生产验证**：需在更大的构件（如机翼梁，尺寸200×100×5mm3）上验证工艺稳定性，目前研究仅针对2mm厚度样本。

未来发展方向应聚焦于开发智能温控系统（±1°C精度）与实时质量监测技术（如在线声发射检测），以实现热塑性复合材料的全流程自动化生产。该成果已获得法国国家科研中心（ANR）资助，预计2024年完成中试线建设，推动热塑性复合材料在C919等新型客机中的应用。