通过自动化纤维铺放工艺参数实现碳纤维/PEKK复合材料层合板面内剪切力学性能的预测：基于粘结程度的表征

《Polymer Composites》：Prediction of In-Plane Shear Mechanical Properties Through Degree of Bonding Characterization as a Function of Automated Fiber Placement Processing Parameters for Carbon Fiber/PEKK Composite Laminates

本研究针对自动化纤维铺放（AFP）制造碳纤维增强聚醚酮酮（CF/PEKK）层合板时，工艺参数对层间粘结及最终力学性能影响难以全面实验表征的问题，通过实验与建模相结合，建立了粘结程度（Db）与面内剪切性能的定量关系。研究对现有粘结分析模型进行修正，使其适用于等温和非等温固化条件，并利用粘结程度成功预测了材料的弹性行为，为优化AFP工艺参数、简化复合材料性能表征提供了有效工具。

　　

随着航空航天、高端装备等领域对高性能复合材料构件需求的日益增长，自动化纤维铺放（Automated Fiber Placement, AFP）技术作为一种高效的增材制造方法，因其能够实现纤维增强热塑性预浸带的快速铺放与原位固化而备受关注。然而，AFP工艺涉及复杂的参数组合，如固化时间、压力和温度，这些参数会直接影响层合板层间的粘结质量，从而决定最终制品的力学性能。传统上，要通过大量实验来全面评估这些工艺参数的影响，不仅耗时费力，而且成本高昂。因此，开发能够准确预测工艺参数与最终性能之间关系的模型，对于推动AFP技术的广泛应用至关重要。

本研究聚焦于一种高性能热塑性复合材料——碳纤维增强聚醚酮酮（Carbon Fiber Reinforced Polyetherketoneketone, CF/PEKK）。与更常见的聚醚醚酮（Polyether Ether Ketone, PEEK）相比，PEKK具有更宽的加工窗口和可调节的结晶行为。研究人员的目标是建立AFP工艺参数、层间粘结程度与复合材料面内剪切力学性能之间的定量联系，从而为工艺优化和性能预测提供理论依据。这项工作发表在《Polymer Composites》期刊上。

为了开展研究，作者团队主要采用了以下几种关键技术方法：一是通过自动纤维铺放设备和热压板两种方式制备了具有不同工艺参数（如压力、时间、铺放速度、光束强度）的CF/PEKK层合板样本；二是利用拉伸测试、模式I层间断裂韧性（G_IC）测试和扫描电子显微镜（SEM）观察，系统地表征了样品的力学性能和微观结构；三是基于Lee和Springer的经典模型，发展了一个修正的粘结程度（D_b）分析模型，该模型将粘结程度主要表征为固化时间与完全固化所需时间之比，从而简化了计算；四是结合热分析模型获取工艺窗口的温度历史，并将预测的粘结程度与材料的横向模量（E₂）相关联；五是利用有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）软件Abaqus CAE，建立了包含粘聚区单元（Cohesive Zone Element, CZE）的模型，以模拟层间相互作用并验证预测结果。

3.1 拉伸行为

通过拉伸测试发现，与在热压板上固化数分钟至数十分钟制备的层合板相比，采用AFP工艺（固化时间在秒级）制备的层合板，其弹性模量在不同工艺参数下的变化并不显著。这表明，在AFP较短的工艺窗口内，工艺参数的变化对达到的层间粘结水平（及由此影响的弹性性能）影响有限。而热压板工艺由于有更长的固化时间变化范围，能够产生粘结水平差异更大的层合板，从而表现出更显著的模量变化。

3.2 微观结构观察

扫描电镜观察显示，所有AFP工艺制备的样品内部都存在相对较高的孔隙率，并可能伴有分层和裂纹。在使用较高光束强度的条件下，甚至出现了基体聚合物烧焦的现象。然而，研究也指出，即使在没有明显视觉缺陷的样品中，其拉伸测试表现出的性能也仍未达到层合板可能的最佳水平。这印证了仅凭微观结构观察（如孔隙有无）不足以完全表征固化质量，聚合物链在层间的扩散程度（即粘结程度）是决定最终性能的关键因素，而这一过程无法通过视觉观察来量化。

3.3 模型

研究人员将不同工艺条件下层合板的刚度比（E_i/E_∞，即某条件下模量与完全固化条件下模量之比）与修正模型计算出的粘结程度（D_b）进行了比较。结果表明，两者呈现出直接且近乎一致的相关性。该模型能很好地预测热压板制备层合板的性能，对AFP制备的层合板预测存在轻微偏差，这主要归因于模型中未考虑AFP样品中存在的孔隙和缺陷的影响。这一关系意味着，如果已知完全固化层合板的模量，就可以利用预测的D_b值作为折减因子，来预测任意给定工艺条件下该牌号CF/PEKK的模量，从而可作为工艺优化的工具。

研究的核心结论在于，成功地将粘结程度模型与CF/PEKK反轴对称[+45/?45]₆层合板的面内剪切性能联系起来。这类铺层设计旨在形成一个清晰的、由基体主导的层间区域。研究表明，不同工艺条件下层合板的面内剪切行为比值（G_IC,i/G_IC∞）与其模量比值（E_i/E_∞）是吻合的。针对AFP工艺时间短的特点，研究人员发展了一个主要依赖于固化时间与完全固化所需时间之比的粘结程度模型。该模型成功捕捉了由不同工艺条件引起的材料刚度变化趋势。

这项工作的重大意义在于，它为预测由基体主导的CF/PEKK层合板的力学性能提供了一种简化而有效的途径。利用此模型，仅需进行面内剪切拉伸测试，即可基于工艺参数预测材料的模量，从而避免了传统上为表征复合材料层间性能而必须进行的、既耗时又耗费资源的模式I、II和III断裂韧性全套测试。这不仅降低了复合材料性能表征的复杂性和成本，也为自动化纤维铺放工艺的参数优化和数字化制造提供了有力的理论工具，有助于推动高性能热塑性复合材料在工业领域的更广泛应用。