連續(xù)碳纖維織物增強(qiáng)PEEK熱塑性復(fù)合材料檢測(cè)方法研究

王二平 譚宗尚 陸士強(qiáng) 劉哲

摘 要 連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料作為一種典型的熱塑性復(fù)合材料，國(guó)內(nèi)無(wú)論從基礎(chǔ)研究、生產(chǎn)、加工等方面，均處于研發(fā)驗(yàn)證階段。本文借助外觀檢測(cè)、顯微分析、無(wú)損檢測(cè)、層間性能等方式考察了連續(xù)碳纖維織物增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料檢測(cè)的可行性。多種檢測(cè)手段并用，相互補(bǔ)充，確保制作的熱塑性復(fù)合材料質(zhì)量可控。使用的各種檢測(cè)方法可供業(yè)界借鑒參考。

關(guān)鍵詞 連續(xù)CF/PEEK；熱塑性復(fù)合材料；LF-CF/PEEK； PEEK；無(wú)損檢測(cè)

Research on Testing Methods for Continuous Carbon Fiber

Fabric Reinforced PEEK Thermoplastic Composite Materials

WANG Erping¹， TAN Zongshang²， LU Shiqiang²，LIU Zhe²

（1.Changzhou Junhang High Performance Composite Materials Co.，Ltd.，Changzhou 213164;

2.Jiangsu Junhua High Performance Speciality Engineering Plastics （PEEK）

Products Co.，Ltd.，Changzhou 213164）

ABSTRACT Continuous carbon fiber reinforced PEEK composite material， as a typical thermoplastic composite material， is currently in the research and development verification stage in China， regardless of basic research， production， processing， and other aspects. This article investigates the feasibility of testing continuous carbon fiber fabric reinforced PEEK composite materials through methods such as appearance inspection， microscopic analysis， non-destructive testing， and interlayer performance.Multiple testing methods are used together and complement each other to ensure the controllable quality of the thermoplastic composite material produced. The various detection methods used can provide reference for industry colleagues.

KEYWORDS continuous CF/PEEK; thermoplastic composite materials; LF-CF/PEEK;PEEK;NDT

通訊作者：王二平，女，碩士，副高。研究方向?yàn)檫B續(xù)碳纖維增強(qiáng)PEEK熱塑性復(fù)合材料。E-mail：419544551@qq.com

1 引言

連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PEEK（簡(jiǎn)稱連續(xù)CF/PEEK）熱塑性復(fù)合材料，因其耐高溫、耐濕熱且尺寸穩(wěn)定性好、韌性好、耐疲勞性優(yōu)異、可回收、透X光、良好的生物相容性等優(yōu)勢(shì)，部分取代傳統(tǒng)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱固性樹脂復(fù)合材料，應(yīng)用于航空航天、軍工、醫(yī)療、高端機(jī)械密封等高端領(lǐng)域^［1-4］。傳統(tǒng)的碳纖維表面上漿劑主成分為環(huán)氧樹脂，與PEEK樹脂并不兼容。由于PEEK粘度高，熔融溫度高，對(duì)碳纖維浸潤(rùn)性差，如何提高纖維和樹脂界面的層間強(qiáng)度，進(jìn)而提高復(fù)合材料的綜合性能，成為業(yè)界關(guān)注和攻克的焦點(diǎn)^［5-8］。另外，PEEK樹脂作為一種典型的半結(jié)晶塑料，隨著生產(chǎn)加工工藝的不同，結(jié)晶度不同，與碳纖維結(jié)合時(shí)，無(wú)法像纖維增強(qiáng)熱固性樹脂一樣形成穩(wěn)定的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。因此，傳統(tǒng)的復(fù)合材料檢測(cè)方法在連續(xù)CF/PEEK復(fù)合材料檢測(cè)方面未必可行。

本文結(jié)合江蘇君華特種工程塑料制品有限公司和常州君航高性能復(fù)合材料有限公司的研發(fā)、生產(chǎn)和加工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，借鑒熱固性復(fù)合材料檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，從外觀檢測(cè)、顯微分析、無(wú)損檢測(cè)、層間性能等方面對(duì)連續(xù)碳纖維織物增強(qiáng)PEEK（簡(jiǎn)稱LF-CF/PEEK）復(fù)合材料檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)描述。希望為熱塑性復(fù)合材料行業(yè)提供部分技術(shù)支撐和參考^［9-10］。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

LF-CF/PEEK代表連續(xù)碳纖維織物增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料：公司采用高溫高壓制作而成。

2.2 試驗(yàn)采用設(shè)備和試樣

視頻顯微鏡：蘇州歐米特光電科技有限公司OMT-1960HC系列；

金相顯微鏡：江蘇荼明智能科技有限公司，CDM-806系列；

超聲C掃水浸設(shè)備：上海冠域檢測(cè)科技有限公司TS-2000系列和北京嘉盛智檢科技有限公司UIS-0602系列；

超聲B掃（相共振設(shè)備）：奧林巴斯OMNISCAN SX系列；

射線分析：上海冠域檢測(cè)科技有限公司UNIDR2530系列；

萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：美特斯MTS-50系列。

3 檢測(cè)結(jié)果與分析

3.1 LF-CF/PEEK外觀檢測(cè)考察

首先借助LF-CF/PEEK復(fù)合材料的外觀效果初步判定樹脂浸潤(rùn)的效果。浸潤(rùn)完好的復(fù)合材料產(chǎn)品外觀顏色基本呈現(xiàn)均一變化，沒有色差。在厚度層間方向，會(huì)出現(xiàn)交錯(cuò)有致的多邊環(huán)形紋理結(jié)構(gòu)。外檢檢測(cè)結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，不同浸潤(rùn)狀態(tài)的復(fù)合材料，從表觀和側(cè)面會(huì)顯示不同的狀態(tài)。由圖1（a）可知，復(fù)合材料表面局部發(fā)白，局部發(fā)暗發(fā)黑，沒有光澤，另外，圖1（c）可知，層間結(jié)合部位，明顯存在樹脂局部富集，或者沿著纖維鋪放，沒有呈現(xiàn)線性分布。圖1（b）和圖1（d）碳纖維的編織紋理結(jié)構(gòu)清晰可見。由此可以初步得出，圖1（a）和圖1（c）復(fù)合材料存在明顯的樹脂浸潤(rùn)不良現(xiàn)象，圖1（b）和圖1（d）樹脂浸潤(rùn)正常。

3.2 LF-CF/PEEK加工端面金相顯微分析

對(duì)3.1中板材Ⅱ取樣進(jìn)行金相顯微分析，對(duì)其端面進(jìn)行處理加工。按照GB/T 3365-2008《碳纖維增強(qiáng)塑料空隙率含量和纖維體積含量試驗(yàn)方法》，先借助180目水磨砂紙粗磨，再借用1500目水磨砂紙細(xì)磨，制備金相顯微測(cè)試樣片。金相顯微鏡下LF-CF/PEEK復(fù)合材料端面的檢測(cè)狀態(tài)如圖2所示。

從圖2可以看出，碳纖維基本按照一個(gè)方向延伸，沒有扭曲現(xiàn)象，樹脂基本均勻分布在纖維絲束表面。但在纖維編織節(jié)點(diǎn)處，明顯存在PEEK樹脂富集。對(duì)比金相顯微鏡下呈現(xiàn)黃色系的碳纖維來說，PEEK樹脂的顏色呈現(xiàn)褐色或者深褐色系。呈現(xiàn)黑色系的區(qū)域代表該區(qū)域端面和其他端面不在齊焦面上，很可能存在孔隙。另外，黑色區(qū)域主體集中在編織節(jié)點(diǎn)附近，該區(qū)域纖維聚集，PEEK熔體粘度高，流動(dòng)性差，借助高溫高壓下流動(dòng)的沖擊力不足以讓所有纖維絲束展開到無(wú)節(jié)點(diǎn)約束的狀態(tài)。因此，編織節(jié)點(diǎn)是樹脂浸潤(rùn)最困難的部位，也是容易出現(xiàn)孔隙的部位。通過類似黑色顏色抓取，核算面積，可以得到一般浸潤(rùn)后的孔隙率在0.06%～2%之間，滿足航空行業(yè)對(duì)復(fù)合材料孔隙率要求。

因?yàn)闃悠诽幚淼男Ч约捌矫娑鹊燃?jí)將直接影響到圖像的采集清晰程度，進(jìn)而影響到金相顯微鏡分析結(jié)果。因此，采用金相顯微鏡進(jìn)行分析，樣品的處理及其重要。

3.3 LF-CF/PEEK 超聲B掃無(wú)損檢測(cè)

從3.2可知，雖然LF-CF/PEEK復(fù)合材料只有碳纖維和PEEK兩種材料復(fù)合而成，但其材料內(nèi)部不同區(qū)域PEEK樹脂含量分布不同，無(wú)法形成均質(zhì)結(jié)構(gòu)。針對(duì)傳統(tǒng)應(yīng)用于均質(zhì)材料檢測(cè)的設(shè)備無(wú)法在熱塑性復(fù)合材料產(chǎn)品上正常應(yīng)用。適用于熱固性復(fù)合材料的檢測(cè)設(shè)備，也存在一定的局限。針對(duì)3.1板材Ⅱ借助超聲B掃即相共振的檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，不同部位檢測(cè)結(jié)果并不相同。圖3（a）檢測(cè)圖譜相對(duì)正常，因?yàn)榘宀倪吘塒EEK樹脂相對(duì)比較富集，相對(duì)容易形成類均質(zhì)結(jié)構(gòu)。板材內(nèi)部，檢測(cè)都顯示表層存在一定的雜波干擾，部分波可以穿透，但是衰減嚴(yán)重，說明板材內(nèi)部對(duì)波吸收比較嚴(yán)重。由此可知，采用B掃檢測(cè)，所選用的探頭頻率和設(shè)置參數(shù)不當(dāng)，需要進(jìn)一步調(diào)整探頭參數(shù)，進(jìn)行驗(yàn)證。

3.4 LF-CF/PEEK C掃無(wú)損檢測(cè)

采用GJB1038.1A《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)方法》水浸式脈沖反射法進(jìn)行復(fù)合材料檢測(cè)，相關(guān)檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4（a）和圖4（b）采用1MHz的探頭進(jìn)行檢測(cè)；圖4（c）和圖4（d）采用5MHz的探頭進(jìn)行檢測(cè)。圖4（a）借助3.1初步評(píng)估板材一端部存在開裂的狀態(tài)，其他三塊板借助3.1初步檢測(cè)評(píng)估正常的板材。由右圖4超聲水浸效果，可以清晰看到板材內(nèi)部的結(jié)合效果。圖4（a）中紅色，黃色，白色為復(fù)合材料嚴(yán)重未貼合區(qū)域，通過檢測(cè)曲線和圖像可以了解板材缺陷的具體部位；圖4（b）檢測(cè)結(jié)果和初步評(píng)估相同；圖4（c）～圖4（d）超聲檢測(cè)內(nèi)部存在少量微孔，因?yàn)?MHz檢測(cè)頻率高，靈敏度高，微小缺陷即可以顯示。

使用同樣的檢測(cè)方法，對(duì)由3.1中板材Ⅰ復(fù)合材料做成的具體制品進(jìn)行檢測(cè)。已知制品在加工螺紋附近，存在微裂紋。檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，檢測(cè)曲線結(jié)果不理想。針對(duì)LF-CF/PEEK材料加工的異型制品，由于超聲波的反射受聲波和纖維方向的夾角限制，平行和垂直于LF-CF/PEEK的超聲衰減與聲速有很大差別。在聲速傳播過程中，居于制品中心的纖維和靠近制品邊緣的纖維也不相同。在超聲測(cè)試階段發(fā)現(xiàn)，垂直于纖維的聲波衰減更大，沿該方向的聲波聲速更低。由此可知，針對(duì)異型復(fù)合材料制品檢測(cè)，采用普通的超聲C掃水浸不太適合。

3.5 LF-CF/PEEK射線檢測(cè)

將3.4中無(wú)法采用超聲檢測(cè)的復(fù)合材料制品，借助射線進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。

通過合適的射線檢測(cè)方案，可以檢測(cè)出這種材料的內(nèi)部未熔合等缺陷。經(jīng)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)紅色標(biāo)記處有一處未熔合缺陷。

3.6 LF-CF/PEEK層間性能檢測(cè)

為進(jìn)一步表明PEEK樹脂對(duì)碳纖維的浸潤(rùn)效果，對(duì)3.4中涉及復(fù)合材料板材進(jìn)行彎曲性能和短梁強(qiáng)度檢測(cè)。分別借鑒ASTM D7264《聚合物基復(fù)合材料彎曲性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》和ASTM D2344《聚合物基復(fù)合材料及其層壓材料短梁強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制樣測(cè)試。針對(duì)厚板彎曲性能的樣條尺寸，長(zhǎng)度×寬度×厚度按照120mm×13mm×4mm，采用機(jī)加工制作，薄板彎曲性能樣條尺寸長(zhǎng)度和寬度維持不變，厚度按照實(shí)薄板的厚度；針對(duì)厚板短梁強(qiáng)度的樣條尺寸，長(zhǎng)度×寬度×厚度按照4mm×8mm×24mm，采用機(jī)加工制作；薄板彎曲性能樣條尺寸長(zhǎng)度維持不變，寬度×厚度按照2：1比例準(zhǔn)備。相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可看出，板材Ⅰ的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和短梁強(qiáng)度均低于板材Ⅱ的測(cè)試結(jié)果，因?yàn)榘宀蘑駱渲?rùn)纖維效果不理想，在外力作用下，纖維與基體的界面應(yīng)力傳遞效果較浸潤(rùn)理想狀態(tài)減低很多，最終在比較低的作用力下即發(fā)生失效破壞。

相對(duì)板材Ⅱ的檢測(cè)結(jié)果，板材Ⅲ的檢測(cè)結(jié)果都有所提高，數(shù)據(jù)增加10%左右。一方面使用復(fù)材厚板加工成測(cè)試樣條，樣條表面的部分纖維因?yàn)榧庸び蛇B續(xù)變成不連續(xù)狀態(tài)，本身承載力減?。灰环矫?，機(jī)加階段，因?yàn)榈毒哌x型和機(jī)加的參數(shù)不同，對(duì)樣條本身也會(huì)造成一定的損傷；另一方面，厚板相對(duì)薄板，板材越厚，產(chǎn)生孔隙等不良幾率增加。多種原因下，按照同樣的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，厚板的檢測(cè)性能一般都會(huì)低于相應(yīng)薄板的檢測(cè)性能。

4 結(jié)語(yǔ)

由上述分析可知，針對(duì)連續(xù)CF/PEEK復(fù)合材料存在形式不同，采用的檢測(cè)方式也有不同：

（1）借助目視檢測(cè)復(fù)合材料外觀，借助視頻顯微鏡檢測(cè)層間狀態(tài)，可以初步評(píng)估復(fù)合材料的結(jié)合效果；

（2）結(jié)合視頻顯微鏡檢測(cè)復(fù)合材料加工端面，借助孔隙率檢測(cè)，可以進(jìn)一步評(píng)估復(fù)合材料層間結(jié)合效果；

（3）采用超聲無(wú)損檢測(cè)，可以對(duì)LF-CF/PEEK復(fù)合材料板材進(jìn)行檢測(cè)，鑒別其存在的缺陷及相對(duì)位置，但需要配置合適的探頭種類及其檢測(cè)參數(shù)，否則未必可以達(dá)到預(yù)期效果；

（4）針對(duì)使用LF-CF/PEEK復(fù)合材料加工的制品，因制品不同，普通的超聲水浸C掃未必合適，需要選用射線檢測(cè)方式；

（5）借助彎曲性能和短梁強(qiáng)度檢測(cè)可以評(píng)估復(fù)合材料PEEK樹脂浸潤(rùn)碳纖維的效果，形成量化的數(shù)據(jù)指標(biāo)。

因?yàn)長(zhǎng)F-CF/PEEK制品形式很多，為準(zhǔn)確判定產(chǎn)品質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)制品缺陷，確保制品可控，需要借鑒多種檢測(cè)方式，共同參考判定。

參 考 文 獻(xiàn)

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