詳解：PEEK基碳纖維帶的共固化粘結(jié)

來源：高分子物理學(xué)

復(fù)合材料自20世紀60年代問世以來迅速發(fā)展，在各類航空航天飛行器上的應(yīng)用不斷增加。例如，新一代民用飛機，包括空客A350和波音787，包含了重量超過50%的復(fù)合材料。

碳纖維增強塑料因其重量輕、優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能和高設(shè)計靈活性而廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)。以波音787為例，其機體的主要結(jié)構(gòu)機身和機翼幾乎都由碳纖維增強復(fù)合材料制成。

因此，必須開發(fā)合適的復(fù)合材料連接技術(shù)，以應(yīng)對其在航空航天應(yīng)用中的快速增長。

共固化鍵合粘結(jié)工藝

復(fù)合材料連接件的粘接工藝可分為三類，分別為二次粘結(jié)、共粘結(jié)和共固化。

共固化鍵合一般是指碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料由熱固性粘合劑粘合，比較典型的就是環(huán)氧樹脂。

但是現(xiàn)在有一種趨勢是用熱塑性塑料比如PEEK和PPS來代替環(huán)氧樹脂，因為熱塑性塑料有一些環(huán)氧樹脂沒有的優(yōu)點：
1、具有優(yōu)異的力學(xué)性能、斷裂韌性和熱穩(wěn)定性。
2、保質(zhì)期無限長，不要求低溫儲存和遮光運輸。
3、在共固化過程中沒有溢流，可以精確控制粘接厚度。
4、對于先進的熱塑性材料，復(fù)合材料與粘結(jié)劑共固化粘接條件不需要完美匹配。

具體步驟
1.表面預(yù)處理
使用不同強度的紫外光對CF/PEEK帶的表面進行照射，使其C-C與C-H斷裂，其表面活性隨之提高。

其中表面C-O、C=O、O-C=O含量增多，表面氧含量14.93%上升到22.97%，與水的接觸角從80.22°下降到67.49°。改善了纖維帶的粘附性，提高其機械性能。

2.實驗件制備
首先制備緊密結(jié)合的碳纖維/環(huán)氧樹脂層，其次用UV處理過的CF/PEEK或FM300粘合劑將其連接，最后對其真空高溫高壓固化。

△性能表征與測試

1.單搭接剪切實驗
在三種不同條件下進行測試，包括22◦C和130◦C的靜加載條件和22◦C的疲勞加載條件。

△（a)共固化粘結(jié)接頭在22℃和130℃下的搭接剪切強度

（b）共固化粘接接頭的疲勞壽命

搭接剪切強度(LSS)在22℃與130℃下分別提升了47%與68%。

此外，CF/PEEK粘結(jié)接頭的熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于粘結(jié)接頭。(17%/5%）疲勞壽命提高到3.4倍。( 58.4 k / 257.0 k)

2.SLS失效表征

△SLS試樣失效表面照片和SEM圖像

(a)-(c)失效表面 (d)側(cè)視圖圖像 (e)-(g)失效表面SEM

△SLS試樣SEM圖像

總結(jié)與評論
在使用CF/PEEK帶替代傳統(tǒng)粘合劑后，
搭接剪切強度在22℃與130℃下分別提升了47%與68%，疲勞壽命提高到4.39倍。
Ⅰ型斷裂能在22℃與130℃下分別提升了70%與182%。
Ⅱ型斷裂能在22℃與130℃下分別提升了59%與54%。
CF/PEEK膠帶具有比環(huán)氧粘接劑相比的其他優(yōu)點。

△FM300與CF/PEEK粘接接頭的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)性能圖

相比于FM300等傳統(tǒng)環(huán)氧膠黏劑，CF/PEEK帶接頭會更適合于航空航天的應(yīng)用中。

另外該項研究為碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料與碳纖維/PEEK帶共固化粘接的發(fā)展提供了一定的實驗基礎(chǔ)。

參考文獻
1.Quan, D., et al. (2022). "Co-curing bonding of carbon fibre/epoxy composite joints with excellent structure integrity using carbon fibre/PEEK tapes." Composites Science and Technology 227.
2.張璇,沈真.航空航天領(lǐng)域先進復(fù)合材料制造技術(shù)進展[J].紡織導(dǎo)報,2018(S1):72-79.DOI:10.16481/j.cnki.ctl.2018.s1.012.