在高性能材料領(lǐng)域，聚芳醚酮（PAEKs），尤其是聚醚酮酮（PEKK），因其優(yōu)異的機(jī)械性能、耐化學(xué)性和熱穩(wěn)定性而脫穎而出。這些材料在航空航天行業(yè)占據(jù)了一席之地，在機(jī)翼襟翼、檢修面板和地板等結(jié)構(gòu)部件中得到了應(yīng)用。PEKK 的吸引力不僅源于其在苛刻條件下的強(qiáng)勁性能，還源于可用等級的多樣性，每種等級都是為特定應(yīng)用量身定制的。然而，這種適應(yīng)性也帶來了一系列挑戰(zhàn)，尤其是在自動化膠帶放置(ATP- Automated Tape Placement)等制造過程中。
ATP 代表著制造效率的飛躍，提供了快速的生產(chǎn)率、自動化和高重復(fù)性。然而，使 ATP 具有吸引力的速度在實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料零件的一致結(jié)晶度方面引入了復(fù)雜性。結(jié)晶度，或聚合物中的分子有序度，是影響復(fù)合材料力學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)性能的關(guān)鍵因素。實(shí)現(xiàn)均勻結(jié)晶度至關(guān)重要，尤其是對于像 PEKK 這樣的半結(jié)晶熱塑性塑料，它決定了最終零件的性能和可靠性。
挑戰(zhàn)在于 ATP 過程的固有性質(zhì)，即材料承受高溫和高壓，但持續(xù)時間有限。這種受限制的時間范圍可能會阻礙所需結(jié)晶度水平的發(fā)展，從而可能影響零件質(zhì)量和性能。對通過 ATP 制造的 CF/PEKK 層壓板厚度均勻結(jié)晶度的追求不僅是學(xué)術(shù)追求，也是迫切的工業(yè)需求，這突出了深入研究 CF/PEKK 復(fù)合材料結(jié)晶動力學(xué)和形態(tài)的必要性。
本文開始探索這些復(fù)雜的細(xì)節(jié)，旨在揭示通過ATP 制造高性能熱塑性復(fù)合材料的復(fù)雜性。通過深入研究結(jié)晶度梯度及其對材料性能的影響，我們旨在應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，并發(fā)現(xiàn)可能徹底改變制造工藝的解決方案，確保 PEKK 復(fù)合材料的潛力在高風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)用中得到充分發(fā)揮。
結(jié)晶度梯度：性能和一致性的障礙
在像 PEKK 這樣的高性能熱塑性復(fù)合材料中追求均勻結(jié)晶度，特別是當(dāng)通過自動膠帶放置（ATP）制造時，揭示了加工條件和材料性能之間的復(fù)雜相互作用。本節(jié)深入探討了在制造過程中控制結(jié)晶度的挑戰(zhàn)及其對復(fù)合材料強(qiáng)度、耐久性和整體性能的重大影響，為行業(yè)利益相關(guān)者揭示了一個關(guān)鍵問題。
（CF/PEKK 復(fù)合材料經(jīng)過不同的加工和后處理?xiàng)l件后的孔隙率、結(jié)晶度和 ILSS（MPa））
結(jié)晶度對機(jī)械性能的影響：
結(jié)晶度水平直接影響熱塑性復(fù)合材料的力學(xué)性能。更高的結(jié)晶度由于更緊密的分子和晶體填充而導(dǎo)致強(qiáng)度和剛度增加，這增強(qiáng)了變形的抵抗力并防止材料在晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)滑動。相反，較低的結(jié)晶度產(chǎn)生強(qiáng)度和剛度降低的更具延展性的材料。
實(shí)現(xiàn)均勻結(jié)晶的挑戰(zhàn)：
（通過自動膠帶放置（左）和熱壓罐（右）固結(jié)的層壓板示意圖。不同深淺的藍(lán)色顯示基質(zhì)中結(jié)晶度的變化）
ATP 制造工藝的快速發(fā)展限制了材料暴露在高溫和高負(fù)荷下。這一限制對在復(fù)合材料零件上形成均勻結(jié)晶度提出了重大挑戰(zhàn)，影響了最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。
非均勻結(jié)晶度的含義：
結(jié)晶度不均勻會導(dǎo)致復(fù)合材料的機(jī)械性能發(fā)生變化，影響其在使用壽命內(nèi)的可靠性和性能。例如，結(jié)晶度的變化會影響復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度（ILSSinterlaminar shear strength）和彎曲強(qiáng)度，可能會顯著降低這些性能。
研究差距和未來方向：
盡管對結(jié)晶度對機(jī)械性能的影響有一些了解，但對 CF/PEKK 復(fù)合材料的全面研究仍然很少。這一差距突顯了進(jìn)一步研究的必要性，以量化和了解這些材料在不同制造條件下的行為，特別是在均勻結(jié)晶度的發(fā)展方面。
處理?xiàng)l件的作用：
溫度、壓力和冷卻速率等加工條件對結(jié)晶度的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。了解這些參數(shù)如何影響通過ATP 制造的 CF/PEKK 層壓板的整個厚度的結(jié)晶度，對于優(yōu)化制造工藝和提高復(fù)合材料性能至關(guān)重要。
揭示結(jié)晶性：創(chuàng)新的研究方法
在解開 PEKK 復(fù)合材料結(jié)晶度復(fù)雜性的過程中，本研究采用了最先進(jìn)的技術(shù)，如差示掃描量熱法（DSC- Differential Scanning Calorimetry）和掃描電子顯微鏡（SEM- Scanning Electron Microscopy），能夠深入分析 PEKK 及其復(fù)合材料的結(jié)晶行為和形態(tài)。
(（a）未增強(qiáng)的 PEKK 粉末和（b）CF/PEKK 預(yù)浸料帶在不同溫度下進(jìn)行等溫保持時的 DSC 熱譜圖，顯示峰值結(jié)晶動力學(xué)時間（分鐘）。在（a）中，經(jīng)歷 220 和 240°C 等溫線的樣品在達(dá)到等溫溫度之前結(jié)晶，因此在等溫保持期間沒有顯示結(jié)晶峰。在（b）中，在 240 和 260°C 之間可以觀察到最快的結(jié)晶動力學(xué))
差示掃描量熱法（DSC- Differential Scanning Calorimetry）：
DSC 技術(shù)用于等溫和非等溫結(jié)晶分析，在理解PEKK 的結(jié)晶動力學(xué)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。純 PEKK粉末和 CF/PEKK 預(yù)浸帶的樣品經(jīng)過了嚴(yán)格的測試，以確保可重復(fù)性，并特別注意不同冷卻速率下的熱歷史和結(jié)晶速率。這種方法通過評估溫度和時間對結(jié)晶度的影響，有助于確定最佳加工條件。
掃描電子顯微鏡（SEM- Scanning Electron Microscopy）：
(從熔體中經(jīng)歷（a）220°C、（b）260°C 和（C）300°C的等溫保溫后，低溫?cái)嗔训?CF/PEKK 樣品的 SEM。紅色注釋突出顯示球晶結(jié)構(gòu)，紅點(diǎn)提供了細(xì)胞核位置的示例。)
SEM 分析通過提供材料形態(tài)的微觀視圖來補(bǔ)充DSC 研究。這項(xiàng)技術(shù)在檢測低溫?cái)嗔押蟮慕缑嬲掣搅突w形態(tài)方面尤其重要，突出了結(jié)晶度對復(fù)合材料機(jī)械完整性的影響。通過用金濺射涂覆（sputter coating the sampleswith gold）樣品以增強(qiáng)導(dǎo)電性，SEM 圖像揭示了晶體結(jié)構(gòu)和空隙率的復(fù)雜細(xì)節(jié)，提供了對失效行為和潛在結(jié)晶形態(tài)的定性評估。
通過這些創(chuàng)新的研究方法，本研究對 CF/PEKK 復(fù)合材料的結(jié)晶動力學(xué)和形態(tài)有了全面的了解。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了控制加工條件以達(dá)到所需結(jié)晶度水平的重要性，最終影響復(fù)合材料的機(jī)械性能和性能。這種研究方法不僅提高了我們對 PEKK 復(fù)合材料的認(rèn)識，而且為優(yōu)化高性能應(yīng)用中的制造參數(shù)奠定了基礎(chǔ)。
從見解到應(yīng)用：推進(jìn)熱塑性復(fù)合材料制造
通過自動膠帶放置（ATP）制造的 CF/PEKK 層壓板結(jié)晶度梯度的全面研究揭示了重大發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)將徹底改變熱塑性復(fù)合材料的制造。本節(jié)重點(diǎn)介紹了關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)，包括結(jié)晶動力學(xué)和建模，并探討了這些見解如何為提高制造技術(shù)和材料質(zhì)量鋪平道路。
關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新：
該研究精心應(yīng)用了基于 Avrami 的模型來理解等溫和非等溫結(jié)晶動力學(xué)。Nakamura 模型對非等溫情況的適應(yīng)性和 Velisaris Seferis 模型對等溫結(jié)晶的適應(yīng)性尤其重要。一項(xiàng)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是確定了 220–260°C 的最佳等溫保溫溫度范圍，以實(shí)現(xiàn) CF/PEKK 復(fù)合材料的卓越球晶發(fā)展，這對高性能應(yīng)用至關(guān)重要。該研究強(qiáng)調(diào)了加工條件對晶體結(jié)構(gòu)發(fā)展的重要性，揭示了加工周期的調(diào)整會顯著影響最終零件的晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其性能特征。
(（a）未增強(qiáng) PEKK 和（b）CF/PEKK 在不同等溫溫度下相對結(jié)晶度發(fā)展的時間-溫度轉(zhuǎn)換圖。相對結(jié)晶度為 1 意味著根據(jù)結(jié)晶度值，材料已達(dá)到其完全結(jié)晶潛力)
對制造技術(shù)的影響：
ATP 鋪設(shè)方案示意圖
這些發(fā)現(xiàn)為制造商提供了微調(diào) ATP 加工參數(shù)的知識，從而優(yōu)化 CF/PEKK 復(fù)合材料零件的結(jié)晶度，從而優(yōu)化其機(jī)械性能。通過建立等溫保溫溫度和結(jié)晶速率常數(shù)之間的相關(guān)性，該研究提供了一種預(yù)測不同加工條件下結(jié)晶演變的方法，提高了制造工藝的精度。
材料質(zhì)量的進(jìn)步：
從這項(xiàng)研究中獲得的見解不僅僅是學(xué)術(shù)性的；它們?yōu)樘岣?CF/PEKK 復(fù)合材料的質(zhì)量提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。了解結(jié)晶行為可以制造出具有一致和可預(yù)測性能的復(fù)合材料，這對其在航空航天等高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)的應(yīng)用至關(guān)重要.
CF/PEKK 預(yù)浸膠帶
結(jié)晶動力學(xué)的詳細(xì)分析和可靠建模方法的發(fā)展意味著制造商現(xiàn)在可以預(yù)測其復(fù)合材料在不同加工條件下的性能，從而生產(chǎn)出符合嚴(yán)格性能標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合材料。
限制和未來方向：
雖然這項(xiàng)研究標(biāo)志著向前邁出了重要一步，但它也突顯了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模研究和工業(yè)規(guī)模制造之間的差距，強(qiáng)調(diào)了進(jìn)一步研究彌合這一差距的必要性。
鼓勵未來的研究探索這些發(fā)現(xiàn)的可擴(kuò)展性，重點(diǎn)是調(diào)整工藝參數(shù)，以在大規(guī)模生產(chǎn)環(huán)境中保持復(fù)合材料的結(jié)晶度和性能。這項(xiàng)研究更清楚地了解了 CF/PEKK 復(fù)合材料的結(jié)晶行為，標(biāo)志著追求熱塑性復(fù)合材料卓越制造的里程碑。
通過將這些科學(xué)見解轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，為開發(fā)滿足高性能應(yīng)用苛刻要求的下一代熱塑性復(fù)合材料開辟了道路。
參考
我們最深切地感謝Helena Pérez-Martín 對通過自動膠帶放置制造的高性能熱塑性復(fù)合材料結(jié)晶度梯度的開創(chuàng)性研究。她的博士論文“研究高結(jié)晶度梯度”“通過自動膠帶放置制造的高性能熱塑性復(fù)合材料”為材料科學(xué)的復(fù)雜性提供了寶貴的見解，并極大地豐富了本文的內(nèi)容。Helena 致力于提高我們對熱塑性合成材料的理解，不僅為航空航天制造的未來創(chuàng)新鋪平了道路，還激勵了材料科學(xué)領(lǐng)域的無數(shù)專業(yè)人士和愛好者。
感謝Helena Pérez-Martín 對高性能復(fù)合材料世界的重大貢獻(xiàn)。Addcomposites 是芬蘭阿爾托大學(xué)的一個研究項(xiàng)目初創(chuàng)公司，專門從事可訪問的自動化復(fù)合材料制造系統(tǒng)。它開發(fā)了一種名為 AFP-XS 的即插即用解決方案，用于自動纖維放置（AFP）/自動膠帶鋪設(shè)（ATL）過程，可安裝在任何現(xiàn)有的機(jī)械臂上。這款小巧輕便的工具每月只需數(shù)千歐元即可訂閱。通過在內(nèi)部開發(fā)每個子系統(tǒng)、控制和軟件元素，Addcomposites 為消費(fèi)者提供了最低的成本，同時保持了航空航天級的質(zhì)量。這種成本和性能使制造商可以簡單地租用其設(shè)施的鋪放頭，并將已經(jīng)購買的機(jī)械臂轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的ATL/AFP 系統(tǒng)。AFP-XS 系統(tǒng)可與干纖維、熱固性預(yù)浸料和低溫?zé)崴苄詮?fù)合膠帶配合使用，生產(chǎn)出重量輕、形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，可優(yōu)化承載能力和效率。
來源：原 文 見 ，《 CF/PEKK Thermoplastic Composites Process: HowCrystallinity Shapes the Future of AerospaceManufacturing 》
