热塑复材质量指标之一 结晶度

本文摘要（由ai生成）：

本研究关注通过自动胶带放置（ATP）制造的聚芳醚酮（PAEKs）复合材料的结晶度梯度。结晶度对复合材料性能有重要影响，而制造过程中控制结晶度面临诸多挑战。文章深入分析了 PEEK 及其复合材料的结晶行为和形态，探讨了非均匀结晶度对复合材料性能的影响。研究发现了最佳等温保温温度范围和结晶速率常数之间的相关性，以及加工条件对晶体结构发展的重要性。这些成果有助于提高制造技术和材料质量，开发满足高性能应用要求的下一代热塑性复合材料。

热塑性复合材料的复杂世界：结晶度梯度导航

在高性能材料领域， 聚芳醚酮（PAEKs），尤其   是聚醚酮酮（PEKK），因其优异的机械性能、耐化学 性和热稳定性而脱颖而出。这些材料在航空航天行业   占据了一席之地，在机翼襟翼、检修面板和地板等结   构部件中得到了应用。 PEKK 的吸引力不仅源于其在   苛刻条件下的强劲性能，还源于可用等级的多样性，每种等级都是为特定应用量身定制的。然而， 这种适 应性也带来了一系列挑战，尤其是在自动化胶带放置 （ATP- Automated Tape Placement）等制造过程中。

ATP 代表着制造效率的飞跃，提供了快速的生产  率、自动化和高重复性。然而， 使 ATP 具有吸引力的 速度在实现复合材料零件的一致结晶度方面引入了复  杂性。结晶度，或聚合物中的分子有序度， 是影响复  合材料力学、热学和化学性能的关键因素。实现均匀  结晶度至关重要，尤其是对于像 PEKK 这样的半结晶 热塑性塑料，它决定了最终零件的性能和可靠性。

挑战在于 ATP 过程的固有性质， 即材料承受高温 和高压， 但持续时间有限。这种受限制的时间范围可  能会阻碍所需结晶度水平的发展， 从而可能影响零件  质量和性能。对通过 ATP 制造的 CF/PEKK 层压板厚 度均匀结晶度的追求不仅是学术追求，也是迫切的工  业需求， 这突出了深入研究 CF/PEKK 复合材料结晶   动力学和形态的必要性。

本文开始探索这些复杂的细节， 旨在揭示通过ATP 制造高性能热塑性复合材料的复杂性。通过深入 研究结晶度梯度及其对材料性能的影响，我们旨在应  对这些挑战，并发现可能彻底改变制造工艺的解决方  案，确保 PEKK 复合材料的潜力在高风险应用中得到 充分发挥。

结晶度梯度：性能和一致性的障碍

在像 PEKK 这样的高性能热塑性复合材料中追求 均匀结晶度，特别是当通过自动胶带放置（ATP）制   造时，揭示了加工条件和材料性能之间的复杂相互作  用。本节深入探讨了在制造过程中控制结晶度的挑战  及其对复合材料强度、耐久性和整体性能的重大影响，为行业利益相关者揭示了一个关键问题。

CF/PEKK 复合材料经过不同的加工和后处理条件后的孔隙率、结晶度和 ILSS（MPa）。

结晶度对机械性能的影响：

结晶度水平直接影响热塑性复合材料的力学性能。 更高的结晶度由于更紧密的分子和晶体填充而导致强  度和刚度增加，这增强了变形的抵抗力并防止材料在晶  体结构内滑动。相反，较低的结晶度产生强度和刚度降  低的更具延展性的材料。

实现均匀结晶的挑战：

通过自动胶带放置（左）和热压罐（右） 固结的 层压板示意图。不同深浅的蓝色显示基质中结晶 度的变化

ATP 制造工艺的快速发展限制了材料暴露在高温 和高负荷下。这一限制对在复合材料零件上形成均匀结晶度提出了重大挑战，影响了最终产品的质量和性 能。

非均匀结晶度的含义：

结晶度不均匀会导致复合材料的机械性能发生变 化，影响其在使用寿命内的可靠性和性能。例如，结 晶度的变化会影响复合材料的层间剪切强度（ILSS-      interlaminar shear strength）和弯曲强度， 可能会显著降低这  些性能。

研究差距和未来方向：

尽管对结晶度对机械性能的影响有一些了解， 但 对 CF/PEKK 复合材料的全面研究仍然很少。这一差 距突显了进一步研究的必要性， 以量化和了解这些材 料在不同制造条件下的行为，特别是在均匀结晶度的 发展方面。

处理条件的作用：

温度、压力和冷却速率等加工条件对结晶度的发 展起着至关重要的作用。了解这些参数如何影响通过 ATP 制造的 CF/PEKK 层压板的整个厚度的结晶度， 对于优化制造工艺和提高复合材料性能至关重要。

揭示结晶性：创新的研究方法

在解开 PEKK 复合材料结晶度复杂性的过程中，本研究采用了最先进的技术，如差示扫描量热法（DSC- Differential Scanning Calorimetry）和扫描电子显微镜（SEM- Scanning Electron Microscopy），能够深入分析 PEKK 及 其复合材料的结晶行为和形态。

（a） 未增强的 PEKK 粉末和（b） CF/PEKK 预浸料带 在不同温度下进行等温保持时的 DSC 热谱图，显示峰值结晶动力学时间（分钟）。在（a）中，经历 220 和 240°C 等温线的样品在达到等温温度    之前结晶，因此在等温保持期间没有显示结晶峰。 在（b）中， 在 240 和 260°C 之间可以观察到最快  的结晶动力学。

差示扫描量热法（DSC- Differential Scanning Calorimetry）：

DSC 技术用于等温和非等温结晶分析，在理解PEKK 的结晶动力学方面发挥着关键作用。纯 PEKK    粉末和 CF/PEKK 预浸带的样品经过了严格的测试，以 确保可重复性，并特别注意不同冷却速率下的热历史   和结晶速率。这种方法通过评估温度和时间对结晶度   的影响， 有助于确定最佳加工条件。

扫描电子显微镜（SEM- Scanning Electron Microscopy）：

从熔体中经历（a）220°C、（b）260°C 和（C） 300°C 的等温保温后， 低温断裂的 CF/PEKK 样品的 SEM 。 红色注释突出显示球晶结构，红点提供了细胞核位置 的示例。

SEM  分析通过提供材料形态的微观视图来补充 DSC 研究。这项技术在检测低温断裂后的界面粘附力和 基体形态方面尤其重要，突出了结晶度对复合材料机械完整性的影响。通过用金溅射涂覆（ sputter coating the samples with gold） 样品以增强导电性， SEM 图像揭示了晶体结构 和空隙率的复杂细节，提供了对失效行为和潜在结晶形 态的定性评估。

通过这些创新的研究方法， 本研究对 CF/PEKK 复  合材料的结晶动力学和形态有了全面的了解。这些发现  强调了控制加工条件以达到所需结晶度水平的重要性， 最终影响复合材料的机械性能和性能。这种研究方法不  仅提高了我们对 PEKK 复合材料的认识，而且为优化高  性能应用中的制造参数奠定了基础。

从见解到应用： 推进热塑性复合材料制造

通过自动胶带放置（ATP）制造的 CF/PEKK 层压 板结晶度梯度的全面研究揭示了重大发现，这些发现将 彻底改变热塑性复合材料的制造。本节重点介绍了关键 发现， 包括结晶动力学和建模，并探讨了这些见解如何 为提高制造技术和材料质量铺平道路。

关键发现和创新：

该研究精心应用了基于 Avrami  的模型来理解等温 和非等温结晶动力学。Nakamura 模型对非等温情况的适 应性和 Velisaris Seferis 模型对等温结晶的适应性尤其重 要。

一项关键发现是确定了 220 –260°C 的最佳等温保 温温度范围， 以实现 CF/PEKK 复合材料的卓越球晶发 展，这对高性能应用至关重要。

该研究强调了加工条件对晶体结构发展的重要性， 揭示了加工周期的调整会显著影响最终零件的晶体结  构，进而影响其性能特征。

（a）未增强 PEKK 和（b）CF/PEKK 在不同等温温度 下相对结晶度发展的时间-温度转换图。相对结晶 度为 1 意味着根据结晶度值，材料已达到其完全 结晶潜力。

对制造技术的影响：

ATP 铺设方案示意图

这些发现为制造商提供了微调  ATP  加工参数的知 识，从而优化 CF/PEKK 复合材料零件的结晶度，从而 优化其机械性能。

通过建立等温保温温度和结晶速率常数之间的相 关性，该研究提供了一种预测不同加工条件下结晶演变 的方法， 提高了制造工艺的精度。

材料质量的进步：

从这项研究中获得的见解不仅仅是学术性的；它们 为提高 CF/PEKK 复合材料的质量提供了坚实的基础。 了解结晶行为可以制造出具有一致和可预测性能的复合材料，这对其在航空航天等高风险行业的应用至关重 要。

CF/PEKK 预浸胶带

结晶动力学的详细分析和可靠建模方法的发展意  味着制造商现在可以预测其复合材料在不同加工条件  下的性能， 从而生产出符合严格性能标准的复合材料。

限制和未来方向：

虽然这项研究标志着向前迈出了重要一步，但它也 突显了实验室规模研究和工业规模制造之间的差距，强 调了进一步研究弥合这一差距的必要性。

鼓励未来的研究探索这些发现的可扩展性，重点是 调整工艺参数，以在大规模生产环境中保持复合材料的 结晶度和性能。

这项研究更清楚地了解了 CF/PEKK 复合材料的结    晶行为，标志着追求热塑性复合材料卓越制造的里程碑。 通过将这些科学见解转化为实际应用，为开发满足高性    能应用苛刻要求的下一代热塑性复合材料开辟了道路。

参考

我们最深切地感谢 Helena Pérez-Martín 对通过自动 胶带放置制造的高性能热塑性复合材料结晶度梯度的 开创性研究。她的博士论文“研究高结晶度梯度”

“通过自动胶带放置制造的高性能热塑性复合材料”为    材料科学的复杂性提供了宝贵的见解，并极大地丰富了    本文的内容。Helena 致力于提高我们对热塑性合成材料    的理解， 不仅为航空航天制造的未来创新铺平了道路，  还激励了材料科学领域的无数专业人士和爱好者。感谢    Helena Pérez-Martín 对高性能复合材料世界的重大贡献。

补充信息

Addcomposites 是芬兰阿尔托大学的一个研究项目 初创公司， 专门从事可访问的自动化复合材料制造系  统。它开发了一种名为 AFP-XS 的即插即用解决方案，用于自动纤维放置（AFP） /自动胶带铺设（ATL）过程，可安装在任何现有的机械臂上。这款 小巧轻便的工具每月只需数千欧元即可订阅。通过在 内部开发每个子系统、控制和软件元素，Addcomposites 为消费者提供了最低的成本， 同时保持 了航空航天级的质量。

这种成本和性能使制造商可以简单地租用其设施 的铺放头， 并将已经购买的机械臂转换为高质量的ATL/AFP 系统。AFP-XS 系统可与干纤维、热固性预 浸料和低温热塑性复合胶带配合使用，生产出重量轻、形状复杂的结构， 可优化承载能力和效率。

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原 文 见 ， 《 CF/PEKK  Thermoplastic  Composites  Process:  How Crystallinity    Shapes    the    Future    of    Aerospace Manufacturing  》

杨超凡      2024.4.2