多级模压工艺参数对交叉铺层连续碳纤维增强聚碳酸酯层合板力学性能与损伤行为的影响

《Polymers》：Effects of Multi-Stage Compression Molding Parameters on Mechanical Properties and Damage Behavior of Cross-Ply Continuous Carbon Fiber-Reinforced Polycarbonate Laminates

　　

连续碳纤维增强聚碳酸酯（CCF/PC）层合板的力学响应受成型工艺条件支配。本研究采用L9正交试验设计，考察预成型温度、固结压力与固结时间的变化对交叉铺层层合板力学性能及相关损伤的影响。研究结合拉伸、弯曲与短梁试验，并辅以描述性因素水平均值与极差分析、扫描电子显微镜（SEM）以及试验后计算机断层扫描（CT）。所观察到的最大因素水平极差分别对应拉伸强度（温度）、拉伸模量（压力）以及弯曲性能与表观层间剪切强度（ILSS）（时间）。全部五项性能的最高时间水平均值均出现在10 min。在所测试的组合中，210 °C–1.0 MPa–15 min获得最高的平均拉伸强度与表观ILSS（752与21.4 MPa），而210 °C–2.0 MPa–10 min获得最高的拉伸模量、弯曲强度与弯曲模量（61.5 GPa、720 MPa与67.5 GPa）。代表性拉伸断口形貌表明，较高试样强度与基体附着和撕裂相关，较低试样强度则与界面分离相关。弯曲试样表现出压缩侧损伤与分层。这些发现区分了各性能特有的工艺响应，并表明解读弯曲性能需同时考虑压缩侧损伤与层间损伤。

研究背景：连续纤维增强热塑性复合材料（CFRTPs）因比强度高、比刚度高、抗冲击性优异，且可焊接、可再加工和可回收，在航空航天、交通运输及高性能轻量化结构中受到持续关注。与热固性复合材料相比，热塑性基体无需化学固化过程，更适合高效短周期制造。聚碳酸酯（PC）韧性优异、尺寸稳定性好、耐冲击，且加工温度相对较低，对加工设备与能耗要求低于聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）和聚醚醚酮酮（PEKK）等耐高温树脂，在兼顾力学性能与制造成本时具有独特优势。PC与碳纤维之间的界面不仅受机械互锁支配，还受界面分子相互作用影响，说明界面特征由材料特性与工艺条件共同决定。已有研究表明，采用两步热压工艺制备CCF/PC层合板时，分阶段固结可改善层合板完整性与力学性能，凸显PC基体系对成型路径与固结历史的高度敏感性；对CCF/PC原位固结及环境服役行为的研究进一步确认，层间结合质量、界面连续性与内部缺陷是决定最终力学性能的关键因素。加工温度下的基体黏度影响纤维束浸渍、层间接触、空隙消除与界面连续性的建立，其作用随聚合物化学结构、温度与变形速率而变化，反映出半结晶基体（如聚酰胺、聚丙烯）与非晶态PC在热行为和流动行为上的差异。热塑性层合板的成型性能不仅取决于最终固结温度、压力与保温时间，还取决于预固结接触条件、热历史与压实历史。热塑性复合材料加工并非简单的加热加压操作，而是涉及预热、层间接触、压实、固结与冷却的多阶段连续过程，其间传热、黏弹性流动、压实变形与层间滑移共同决定最终制件质量。因此，连续纤维增强热塑性层合板的制造优化不应仅依赖最终固结参数的调整，而需系统研究整个固结路径。

现有研究已表明，热塑性复合材料的成型质量由温度、压力、界面接触条件、材料滑移与传热行为共同支配。对快速加工条件下压实行为的研究显示，温度与加载历史可改变厚度方向压缩与面内流动之间的平衡，从而影响层合板致密化与纤维分布。此外，界面传热、热收缩、黏弹性行为以及结晶/熔融过程与构件变形和残余结构特征密切相关。这些发现表明，热塑性复合材料的性能源于加工路径的耦合效应，而非仅由最终加工条件决定。热塑性层合板的力学性能对工艺参数高度敏感。对PEEK与PPS体系的研究表明，加工温度、保温时间与成型压力通过改变空隙含量、树脂分布、纤维压实与界面结合，显著影响弯曲、压缩、层间剪切与冲击性能，进而调控宏观力学行为。对CCF/PEEK的研究表明，弯曲性能随加工条件显著变化，并与热行为和断裂特征相关。对PPS层合板的热压与冲压研究证实，纤维再压实与树脂迁移会显著改变层间结合，影响静态及环境条件下的力学响应。热塑性与热固性单向复合材料的对比研究进一步表明，界面性能、层间韧性与裂纹扩展路径对断裂形貌和整体力学响应具有决定性作用。对PEEK、PPS与PEKK层合板的研究还揭示，工艺参数的影响通常呈非单调性，结构演化强烈依赖于具体加工路径。总体而言，这些发现为理解热塑性复合材料的工艺—结构—性能关系奠定了坚实基础。

与PEEK和PPS基体系相比，CCF/PC复合材料的研究仍相对有限。尽管如此，已有研究同样表明其力学性能对加工条件高度敏感。Ozaki等报道，对于编织碳纤维/PC层合板，适宜的成型温度与压力可获得空隙极少、界面黏附强的层合板，从而显著提高弯曲强度。Liu等采用两步热压工艺制备多层碳纤维织物/PC层合板，证明分阶段压制有助于改善层合板完整性与力学性能。对CCF/PC复合材料原位固结的研究进一步表明，层间结合、空隙控制与界面连续性是决定最终性能的关键因素。对PC与碳纤维界面剪切强度的研究还证实，CCF/PC体系中存在稳定的界面相互作用。这些发现表明，PC基复合材料仅依靠相对较低的加工温度无法获得高质量层合板结构，其力学性能强烈依赖于整个加工历史中对界面与层间结构的调控。

已有工作确认温度与加载历史、层间接触与压实是热塑性层合板加工的相关特征，力学研究进一步将加工条件与性能特异性响应联系起来。对于本CCF/PC体系，由此产生的问题是：在固定最终温度下改变预成型压力施加起点并随后固结，如何在同一种层合板构型内影响拉伸、弯曲与短梁响应。断裂与界面研究为在力学结果之外考察基体参与、界面分离与内部损伤提供了基础。当各加工组在强度、刚度与短梁性能上排序不同时，比较这些观察尤为有用。

研究人员开展了以下研究：考察多级模压成型制备的CCF/PC交叉铺层层合板的力学响应与损伤行为。预成型温度决定加热过程中初始0.4 MPa压力的施加时机；随后在固定最终温度240 °C下改变固结压力与时间。三因素三水平L9正交设计为比较拉伸强度与模量、弯曲强度与模量以及短梁强度提供共同实验基础。因素水平均值与极差描述工艺趋势，断口SEM与试验后CT识别与代表性力学响应相关的损伤特征。分析将同一层合板构型的弹性与失效响应同界面分离、基体撕裂、分层与压缩侧损伤联系起来。

研究结论：研究人员采用L9正交设计、力学测试、热表征、SEM与试验后CT考察了CCF/PC交叉铺层层合板的工艺响应，结论适用于所研究的层合板构型与工艺水平。最大描述性因素水平极差分别对应拉伸强度（预成型温度）、拉伸模量（固结压力）以及弯曲强度、弯曲模量与表观ILSS（固结时间），这些性能相关的排序识别了各响应中所考察因素的最大观测变化。全部五项性能的最高时间水平均值均出现在10 min，而产生最高单板均值的测试组合因性能而异。提高压力使两项模量均值上升，但强度并未单调增加，初始弹性载荷传递与失效抗力因而表现出不同的工艺响应。所检查的拉伸试样将分离主导型断裂与较低强度相联系，将基体撕裂与较高强度相联系；另一高强度试样中纤维拔出与树脂附着的共存进一步表明，与拉伸性能解读相关的是穿过纤维—基体组件的断裂路径，而非任何单一表面特征。所有有效短梁试样均归类为层间剪切失效，所检查的Exp.7试样比Exp.1试样表现出更多基体撕裂与树脂保留。弯曲加载下，所检查的Exp.7试样呈现局部压缩侧损伤而无明显连续分层带，而强度更高的Exp.9试样同时呈现压缩侧损伤与层间分离。这些观察区分了短梁加载下的基体/界面断裂与弯曲加载下的压缩侧与层间复合损伤，为不同强度响应提供了结构背景。

关键技术方法：研究人员采用多级模压成型制备[0/90]_3s铺层的CCF/PC层合板（12层，名义厚度0.2 mm，模腔间隙2 mm），以预成型温度、固结压力与固结时间为三因素开展三水平L9正交试验，每种参数组合对应一块500 × 500 mm层合板；按ASTM D3039/D3039M-17、ASTM D7264/D7264M-15与ASTM D2344/D2344M-16分别进行拉伸、三点弯曲与短梁试验，每组每项测试取5个试样，试样纵轴平行于0°铺层方向；采用差示扫描量热法（DSC）、热重—差热分析（TG-DTA）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）与工业X射线计算机断层扫描（CT，重建体素尺寸49.4442 μm）表征热响应、微观结构与失效形貌。材料来源为科思创聚合物（中国）有限公司提供的CCF/PC预浸带（纤维体积分数44%），增强体为TORAY T700S-12K碳纤维，基体为Makrolon 3107聚碳酸酯。

研究结果：

3.1 试验结果与正交分析：DSC加热曲线在约185–215 °C呈现弱热响应，起始、峰值与终止温度分别为185.3、200.7与214.2 °C；预浸料玻璃化转变台阶未清晰分辨，故采用PC基体名义玻璃化转变温度145 °C作为温度参照，三个预成型温度均高于该参照，180 °C低于弱响应起始温度，195与210 °C位于其区间内并分处峰值两侧。TG-DTA显示逐渐失重后进入主要快速失重阶段，DTG最小值位于500.1 °C，对应最大失重速率5.16%/min，局部DTA最大值位于496.3 °C；240 °C时保留质量为98.76%，扫描终点699.5 °C时为56.06%，即升温至固结温度的累计失重约1.24%。九组工艺的组均值范围为：拉伸强度552–752 MPa、拉伸模量50.2–61.5 GPa、弯曲强度396–720 MPa、弯曲模量39.2–67.5 GPa、表观ILSS 11.1–21.4 MPa。Exp.7（210 °C–1.0 MPa–15 min）具有最高平均拉伸强度与表观ILSS（752与21.4 MPa），Exp.9（210 °C–2.0 MPa–10 min）具有最高平均拉伸模量、弯曲强度与弯曲模量（61.5 GPa、720 MPa与67.5 GPa）。试样变异系数范围为：拉伸强度1.7%–18.3%、拉伸模量2.7%–12.9%、弯曲强度3.1%–23.1%、弯曲模量1.9%–11.5%、ILSS 3.7%–13.4%；Exp.9兼具最高平均弯曲强度与模量，对应变异系数为3.5%与1.9%，Exp.8平均弯曲强度最低（396 MPa），变异系数为23.1%。因素水平均值分析表明：拉伸强度温度水平均值为651、719与717 MPa（180、195、210 °C），主要变化发生在180至195 °C之间，195与210 °C仅相差2.1 MPa；压力水平均值为704、705与677 MPa（1.0、1.5、2.0 MPa）；时间水平均值以10 min最高（730 MPa），5 min与15 min分别为686与670 MPa。拉伸模量压力水平均值随压力由1.0增至1.5与2.0 MPa而由51.9升至54.1与56.6 GPa，其最高温度水平与时间水平均值出现在210 °C与10 min；2.0 MPa下最大模量均值与最小强度均值位置相反，说明两项拉伸性能的压力趋势不同。弯曲强度时间水平均值为416 MPa（5 min）、约645 MPa（10 min）与548 MPa（15 min），温度水平均值为506、507与596 MPa，压力水平均值为573、503与532 MPa，压力趋势非单调，1.0 MPa时均值最高。弯曲模量时间水平均值为42.6、58.0与46.7 GPa（5、10、15 min），压力水平均值由48.0升至48.9与50.3 GPa，与拉伸模量方向一致；改善的层间接触可能是刚度趋势的合理解释，而峰值强度还取决于树脂与增强体的局部分布。短梁结果显示ILSS最高时间水平均值出现在10 min，5、10、15 min分别约为13.8、17.3与15.8 MPa；最高温度水平均值出现在210 °C；压力水平均值在1.0、1.5、2.0 MPa下约为17.0、14.3与15.7 MPa，ILSS与弯曲强度均在1.0 MPa具有最高压力水平均值，而各自单组最大值出现在不同工艺组合中。全部五项性能的最高时间水平均值均在10 min；弯曲强度与模量由5 min的416 MPa与42.6 GPa增至10 min的645 MPa与58.0 GPa，再降至15 min的548 MPa与46.7 GPa，5至10 min的增加与240 °C下层间接触发展所需额外时间一致，15 min均值较低表明该收益未在整个保温区间延续。极差分析按各因素最高与最低水平均值之差计算，用于在各性能内部及所考察因素范围内对主效应幅度排序；各水平均值对相应水平的三个单板均值等权，极差为描述性对比而非统计显著性检验。

3.2 预浸料结构与拉伸断裂行为：预浸料表面主要被连续树脂层覆盖，带有纵向条纹与局部富树脂凸起，为铺层与成型过程中相邻带材接触提供初始表面条件。截面SEM显示树脂占据纤维束内部与束间区域，同时仍可见局部间隙与树脂分布差异，表明层合板固结前已存在局部不均匀性。拉伸试样主要呈混合失效，包括标距段内横向断裂及边缘分层；交叉铺层中0°铺层提供主要纤维方向拉伸载荷路径，载荷通过基体与界面传递使0°铺层与90°横向铺层响应耦合，断裂因而可同时涉及纤维方向载荷路径与相邻纤维或铺层间的分离。代表性拉伸断口SEM比较了相同预成型温度下的Exp.2试样2（743 MPa）与Exp.3试样3（418 MPa）：Exp.2显示基体撕裂与纤维上残留树脂，Exp.3显示更多纤维拔出、沿纤维束与界面的分离及局部裸露纤维，较低强度的Exp.3试样与更多界面分离相对应，较高强度的Exp.2试样与更大程度的基体参与断裂相对应。Exp.3中沿纤维束与纤维表面的分离与相邻纤维间载荷传递的破坏一致；Exp.2中基体撕裂与树脂附着表明断裂也穿过周围聚合物，743与418 MPa的试样强度对比伴随纤维—基体组件内不同的断裂路径。Exp.6试样2同样显示基体撕裂，拉伸强度达754 MPa，基体撕裂在Exp.2与Exp.6两个不同工艺组合的高拉伸强度试样中均出现。Exp.9试样1拉伸强度为723 MPa，显示突出纤维与拔出空腔，同时部分纤维及其根部附着树脂，其断口因而同时包含界面分离与基体残留。上述形貌比较将拉伸强度与基体和界面断裂之间的平衡相联系，而非仅与纤维拔出相联系。在相同固结压力2.0 MPa下，Exp.6与Exp.9的拉伸模量分别为55.9与61.5 GPa，而拉伸强度均值接近，为744与736 MPa，两种组合因而在初始弹性响应不同的情况下均产生相对较高的平均拉伸强度。

3.3 弯曲与短梁响应及其与损伤形貌的关系：弯曲失效包括加载压头与支座之间的层间剪切失效、加载点附近的压缩失效及混合失效，试验后CT截面区分试样内部层间分离与局部压缩侧损伤；弯曲试样加载后仍保持连接，故CT分析聚焦于保留试样几何内的内部分离与局部损伤。代表性短梁载荷—位移曲线显示各曲线在最大载荷、最大载荷处位移及后续载荷保持方面存在差异，部分曲线在较早下降后出现载荷恢复；所有纳入分析的有效短梁试样均归类为层间剪切失效，结合试验后层间分离与断口观察，支持层间剪切为主导分类失效模式，基于峰值载荷的强度以表观ILSS报告，反映短梁复杂应力状态。短梁CT图像显示Exp.1试样2（17.7 MPa）与Exp.3试样2（11.4 MPa）均具有自端部区域向内延伸的细长层间分离；Exp.1的SEM图像取自另一试样（试样1，13.8 MPa），显示分层台阶与树脂附着有限的裸露纤维，这些观察在不同观测尺度上识别出层间与界面分离。短梁CT截面还显示Exp.2试样3（19.5 MPa）的局部内部裂纹与Exp.7试样3（21.1 MPa）端部区域附近的多处分离，后者较高实测强度与可见的试验后端部分层共存；试验后截面定位最终分离，SEM比较识别分离材料内的断裂特征。Exp.7试样3（21.1 MPa）显示纤维上保留树脂与基体撕裂，而Exp.1试样1（13.8 MPa）显示更多裸露纤维与分层台阶，较高强度的受检试样因而表现出更大程度的基体参与断裂。弯曲CT截面区分层间分离与局部压缩侧损伤：Exp.1试样2（349 MPa）显示细长层间分离，Exp.2试样2（613 MPa）显示更明显的局部压缩侧损伤区域，Exp.3试样2（455 MPa）呈现局部与层间特征的另一种分布。Exp.7弯曲试样1（668 MPa）显示局部压缩侧损伤而无明显连续分层带，Exp.9弯曲试样1（744 MPa）同时显示压缩侧损伤与层间分离；较高弯曲强度与两种损伤特征共存，强调需将最终损伤形貌与失效前所达到的承载能力加以区分。Exp.2与Exp.4在共同10 min保温下平均弯曲强度接近（609与606 MPa），但平均弯曲模量分别为61.8与44.8 GPa；由于模量由初始载荷—挠度响应确定、强度由峰值载荷确定，所测差异集中于初始刚度而非峰值名义应力，两组间预成型温度与固结压力均不同。结果表明在所考察范围内存在两种工艺趋势：五项性能共享10 min时间水平最大值，以及模量均值随压力升高而无相应单调强度增加；代表性断裂比较在试样层面补充了结构解释，拉伸与短梁强度差异伴随基体撕裂与界面分离的变化，而弯曲还额外涉及局部压缩侧损伤。

讨论与结论：研究人员采用L9正交设计、力学测试、热表征、SEM与试验后CT考察了CCF/PC交叉铺层层合板的工艺响应。最大描述性因素水平极差分别对应拉伸强度（预成型温度）、拉伸模量（固结压力）以及弯曲强度、弯曲模量与表观ILSS（固结时间），这些性能相关的排序识别了各响应中所考察因素的最大观测变化。全部五项性能的最高时间水平均值均出现在10 min，而产生最高单板均值的测试组合因性能而异；提高压力使两项模量均值上升，但强度并未单调增加，初始弹性载荷传递与失效抗力因而表现出不同的工艺响应。所检查的拉伸试样将分离主导型断裂与较低强度相联系，将基体撕裂与较高强度相联系；另一高强度试样中纤维拔出与树脂附着的共存进一步表明，与拉伸性能解读相关的是穿过纤维—基体组件的断裂路径，而非任何单一表面特征。所有有效短梁试样均归类为层间剪切失效，所检查的Exp.7试样比Exp.1试样表现出更多基体撕裂与树脂保留。弯曲加载下，所检查的Exp.7试样呈现局部压缩侧损伤而无明显连续分层带，而强度更高的Exp.9试样同时呈现压缩侧损伤与层间分离。这些观察区分了短梁加载下的基体/界面断裂与弯曲加载下的压缩侧与层间复合损伤，为不同强度响应提供了结构背景。