高性能熱塑性碳纖維復(fù)合材料具有高韌性、耐沖擊、吸濕率低、耐環(huán)境性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)該類型復(fù)合材料的研究工作一直在持續(xù)開(kāi)展，不僅制備出了多種基體的熱塑性碳纖維復(fù)合材料，而且也總結(jié)發(fā)明了多種可行的加工處理工藝，如注塑成型、模壓成型和包覆成型等。高溫熔融技術(shù)一直被認(rèn)為是解決熱塑性碳纖維復(fù)合材料制備的主要方式之一，智上新材料將結(jié)合專業(yè)論文，介紹連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚芳醚酮（CF-PAEK）和短切碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮（CF-PEEK）在包覆成型加工中，模具溫度對(duì)兩種復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度的影響。
　　
 
　　熱塑性CF-PAEK和CF-PEEK制備包覆復(fù)合材料
　　
　　選擇單向碳纖維制備了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性維聚芳醚酮（CF-PAEK）復(fù)合材料，然后通過(guò)模壓成型制成連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板。選擇聚醚醚酮（PEEK）和短切碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮（SCF-PEEK）作為注塑材料，注入模具中置于CF-PAEK層壓板的表面，并保持壓力一定時(shí)間，制成混合的包覆復(fù)合材料。待空氣冷卻到室溫后，取出成型的熱塑性碳纖維復(fù)合材料，裁切成固定大小，后續(xù)進(jìn)行多項(xiàng)性能試驗(yàn)，包括力學(xué)性能測(cè)試、電鏡掃描測(cè)試、體積分?jǐn)?shù)測(cè)試、流變行為測(cè)試和納米壓痕測(cè)試等，并將測(cè)試數(shù)據(jù)繪成圖形，經(jīng)過(guò)對(duì)多組試樣的對(duì)比研究，得出相應(yīng)結(jié)論。
　　
　　模具溫度對(duì)熱塑性CF--PAEK（PEEK）復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度的影響
　　
 
　　1、PEAK和PEEK樹(shù)脂粘性-溫度曲線：上圖為PEAK和PEEK樹(shù)脂粘性-溫度曲線圖，數(shù)據(jù)顯示PAEK在340℃~400℃下的粘度約為89~237Pa·s，PEEK在360℃~420℃下的粘度為203~330Pa·s。兩種熱塑性樹(shù)脂都具有剪切稀化行為，粘度隨溫度升高而降低。樹(shù)脂熔體的粘度越低，擴(kuò)散越好，對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度的正向影響越大。
　　
 
　　2、不同模具溫度下包覆成型復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度：上圖a為PEEK和SCF-PEEK這兩種材料在不同模具溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，上圖b為PEEK/CCF-PAEK和SCF-PEEK/CCF-PAEK在不同模具溫度下的剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)，PEEK/CCF-PAEK的剪切強(qiáng)度分別為56MPa、65MPa、70MPa和68MPa，而SCF-PEEK/CCF-PAEK的剪切強(qiáng)度為77MPa、79MPa、85MPa和71MPa。
　　
　　結(jié)果顯示，隨著模具溫度的升高，試樣的剪切強(qiáng)度得到提升，而經(jīng)過(guò)短切碳纖維的增強(qiáng)，SCF-PEEK/CCF-PAEK的剪切強(qiáng)度更高。模具溫度影響注射熔體（PEEK和SCF-PEEK）與CCF-PAEK層壓板之間的界面溫度保持時(shí)間以及固化前的接觸時(shí)間，而隨著模具溫度的升高，界面層的溫度逐漸升高，以促進(jìn)PAEK樹(shù)脂在低熔融溫度下的熔融和擴(kuò)散，提高界面結(jié)合強(qiáng)度。
　　
 
　　3、 不同模具溫度下包覆成型復(fù)合材料試樣的剪切破壞模式：上圖為PEEK/CCF-PAEK包覆復(fù)合材料在不同模具溫度下的試樣剪切破壞截面圖，顯示在剪切力作用下，試樣兩側(cè)開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，并向中間擴(kuò)展。當(dāng)模具溫度為220℃和240℃時(shí)，PEEK/CCF-PAEK的失效主要是由于界面分層造成的，說(shuō)明界面結(jié)合強(qiáng)度較弱（上圖a和b）；而當(dāng)模具溫度升高到260℃和280℃時(shí)，PEEK/CCF-PAEK失效主要是由層間斷裂引起，說(shuō)明界面結(jié)合強(qiáng)度較強(qiáng)（上圖c和d）。
　　
 
　　上圖為SCF-PEEK/CCF-PAEK包覆復(fù)合材料在不同模具溫度下的試樣剪切破壞截面圖，試樣狀態(tài)與PEEK/CCF-PAEK包覆復(fù)合材料相似。當(dāng)模具溫度為220℃和240℃時(shí)，界面結(jié)合失效依然是主要問(wèn)題（上圖a和b）；當(dāng)模具溫度升高到260℃和280℃時(shí)；SCF-PEEK/CCF-PAEK的失效為CCF-PAEK的層間斷裂和SCF-PEEK的彎曲失效（上圖c和d）。由于包覆成型產(chǎn)生的彎曲變形和層間剪切變形，當(dāng)界面結(jié)合強(qiáng)度減弱時(shí)，PEEK、SCF-PEEK和CCF-PAEK之間會(huì)發(fā)生分層。隨著界面結(jié)合強(qiáng)度的增加，復(fù)合材料的界面分層逐漸減少，樹(shù)脂的層間斷裂增加。
　　
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合材料的界面失效模式隨著模具溫度的升高而變化。當(dāng)它較低時(shí)，界面溫度較低，注塑模具熔體冷卻較快，分子擴(kuò)散相對(duì)較慢，導(dǎo)致粘合性較差。剪切破壞表現(xiàn)為界面破壞。界面結(jié)合表現(xiàn)為機(jī)械結(jié)合。隨著模具溫度的升高，PEEK的斷裂表面積逐漸增大。較高的模具溫度提高了PEEK樹(shù)脂與PAEK之間的界面溫度，增加了固化前的共混時(shí)間，有利于樹(shù)脂的熔融過(guò)程。當(dāng)界面溫度高于PAEK的熔化溫度時(shí)，在界面處形成樹(shù)脂共晶層，提高了界面結(jié)合強(qiáng)度。
　　
 
　　4、 不同模具溫度下包覆成型復(fù)合材料的納米壓痕載荷-深度曲線：上圖中曲線顯示，對(duì)于相同的壓痕載荷，壓痕深度隨著模具溫度的升高而逐漸變小，說(shuō)明界面處樹(shù)脂的承載能力隨著模具溫度的升高而逐漸變強(qiáng)。對(duì)于PEEK/CCF-PAEK復(fù)合材料，模具溫度為260℃時(shí)，界面樹(shù)脂的負(fù)載能力與PEEK相似，表明包覆復(fù)合材料與注射層樹(shù)脂（PEEK）已達(dá)到熔融樹(shù)脂互混的狀態(tài)，與PEEK的強(qiáng)度幾乎一致。與PEEK相比，SCF-PEEK/CCF-PAEK復(fù)合材料界面處的負(fù)載更高，這表明添加短切碳纖維可以增強(qiáng)界面處的樹(shù)脂，使其能夠承載更高的負(fù)載。
　　
　　當(dāng)壓痕深度較小時(shí)，模量隨著壓痕深度的增加而迅速減?。ㄉ蠄Db），且此時(shí)模量曲線變化較多。深度超過(guò)250nm后，模量值隨著深度的增加逐漸變得平滑。當(dāng)壓痕深度超過(guò)500nm時(shí)，模量曲線變得平滑。當(dāng)模具溫度為220℃時(shí)，PEEK/CCF-PAEK包覆復(fù)合材料的深度-模量曲線比較不穩(wěn)定，此時(shí)的模量較低，為4.2GPa，表明熔體在260℃的模具溫度下可以與瓶坯表面樹(shù)脂形成樹(shù)脂共生層，因此具有與PEEK相同的模量。
　　
 
　　SCF-PEEK/CCF-PAEK包覆成型復(fù)合材料，深度-模量曲線相對(duì)平滑，短切碳纖維的添加可以提高界面處樹(shù)脂的模量。隨著模具溫度的升高，模量也逐漸增大。當(dāng)模具溫度為260°C時(shí)增幅較高，可以達(dá)到5.5GPa，與模具溫度260℃下界面結(jié)合狀態(tài)的轉(zhuǎn)變有關(guān)，說(shuō)明界面上兩種樹(shù)脂能夠熔融擴(kuò)散成一體。另外短切碳纖維在樹(shù)脂熔融狀態(tài)下可以嵌入界面層中，有利于模量的提高。