T700/PEEK熱塑性自動(dòng)鋪放預(yù)浸紗制備質(zhì)量控制及性能研究

陳浩然，李勇，還大軍，王鑫，褚奇奕

南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210016

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料由于其輕質(zhì)、高強(qiáng)等優(yōu)異性能，被越來越多地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1]。按照基體不同可分為熱固性樹脂基復(fù)合材料和熱塑性樹脂基復(fù)合材料，相比于熱固性復(fù)合材料，盡管熱塑性復(fù)合材料成本較高，但其具有密度低、耐沖擊以及局部可修復(fù)性，能夠減輕結(jié)構(gòu)件重量、延長使用壽命，應(yīng)用于航空領(lǐng)域優(yōu)勢更加明顯，而且熱塑性復(fù)合材料成型周期短、可循環(huán)利用，從全周期壽命來看具有良好的經(jīng)濟(jì)性。隨著成型工藝、裝配技術(shù)的提高，高性能熱塑性復(fù)合材料已被逐漸應(yīng)用于飛機(jī)的承力結(jié)構(gòu)件上，例如空客公司A380客機(jī)固定翼前緣采用了碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚復(fù)合材料，?？撕娇展緸沉鱃550飛機(jī)壓力艙壁板采用碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺復(fù)合材料[2-4]。

聚醚醚酮(Polyetheretherketone, PEEK)是一種高性能特種工程塑料，長期使用溫度可達(dá)到240 ℃，并具有耐輻射、沖擊強(qiáng)度高、耐磨、耐疲勞、阻燃和電性能優(yōu)異等特點(diǎn)。以PEEK作為基體的復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來越廣，如F-117A的全自動(dòng)尾翼，C-130機(jī)身的腹部壁板，法國陣風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)身蒙皮等[5]。

自動(dòng)鋪絲技術(shù)[6-8]是復(fù)合材料大型構(gòu)件的主要成型方式之一，具有高精度、高質(zhì)量的成型特點(diǎn)，這就對應(yīng)用于自動(dòng)鋪絲技術(shù)的預(yù)浸紗質(zhì)量提出了較高要求。預(yù)浸紗尺寸將直接影響構(gòu)件的精度，尤其是寬度的均勻性，決定著鋪放過程是否會(huì)出現(xiàn)搭邊、縫隙等工藝缺陷；預(yù)浸紗的孔隙率應(yīng)盡可能低，以防止原材料孔隙遺留在構(gòu)件中影響其性能；熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲成型過程采用“原位固結(jié)”技術(shù)，構(gòu)件內(nèi)樹脂與纖維比重完全由預(yù)浸料的含膠量控制，因此，預(yù)浸紗含膠量控制也是預(yù)浸紗制備過程的關(guān)鍵工藝。高性能熱塑性預(yù)浸紗的批量生產(chǎn)及質(zhì)量控制是目前制約高性能熱塑性復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的主要因素。

熱塑性預(yù)浸料主流的制備工藝分為兩類[9]：預(yù)浸漬法，后浸漬法或預(yù)混法。預(yù)浸漬法是指樹脂基體以黏流態(tài)或溶液的形式浸漬增強(qiáng)纖維，充分浸潤每根單絲，經(jīng)冷卻固化定型后得到預(yù)浸料，又可分為熔融浸漬法、溶液浸漬法及反應(yīng)鏈增長浸漬法；后浸漬法的樹脂基體可以是粉末、薄膜或者纖維等多種多樣的形式，各形式的樹脂與增強(qiáng)纖維混合在一起，再進(jìn)行高溫熔融浸漬過程得到預(yù)浸料，此種制備工藝可分為粉末法、薄膜法、纖維編織法以及纖維混雜法，其中，粉末法又可細(xì)分為粉末懸浮法及粉末涂覆法；纖維混雜法又可細(xì)分為混纖紗、核紡紗、加捻紗及包覆紗等幾種常見形式。在國外，已經(jīng)有數(shù)家公司的商品化PEEK預(yù)浸料上市[10]，如英國ICI公司，瑞典Gurit Suprem公司等，反觀國內(nèi)，迄今未止尚未有PEEK樹脂基預(yù)浸料的產(chǎn)品批量供應(yīng)，涉及商業(yè)機(jī)密，熱塑性預(yù)浸料的制備技術(shù)被發(fā)達(dá)國家的壟斷，因此，熱塑性預(yù)浸料制備工藝探索對實(shí)際工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

國外制備單向預(yù)浸帶的主要方式為熔融浸漬法，Nygard[11]介紹了幾種主流熔融熱塑預(yù)浸帶浸漬模頭及組件，測試評價(jià)得到浸漬效果最優(yōu)的模頭為十字交叉模頭，最后優(yōu)化了輥系浸漬工藝裝置組合，試制了玻纖增強(qiáng)聚丙烯預(yù)浸帶，浸漬速度最高可達(dá)10 m/min且浸漬效果良好。但是PEEK溶解性差、熔融溫度高，并且熔融狀態(tài)下的流動(dòng)性差，這種方法耗能巨大，在控制成本方面明顯不足。近年來國內(nèi)學(xué)者針對PEEK預(yù)浸料制備工藝開展了多項(xiàng)研究：黑龍江省科學(xué)院[12]、陜西非金屬材料工藝研究所[13]等機(jī)構(gòu)早期采用熔融浸漬法制備了碳纖維增強(qiáng)PEEK預(yù)浸帶，但仍處于實(shí)驗(yàn)室階段；吉林大學(xué)劉川[14]利用自制PEEK纖維與碳纖維通過包纏紗的方式制備了混雜纖維束，混雜纖維束再與PEEK纖維束混編制備了單向平紋織布，但是這種平紋織布中碳纖維與PEEK纖維的分散并不均勻，應(yīng)用價(jià)值不高；華南理工大學(xué)李華宙[15]采用粉末涂覆法制備了含膠量穩(wěn)定的碳纖維增強(qiáng)聚丙烯熱塑性預(yù)浸帶，確定了具體氣流展絲工藝參數(shù)，發(fā)現(xiàn)靜電粉末涂覆規(guī)律為：預(yù)浸帶樹脂含量會(huì)隨流化室氣壓、靜電壓及展絲寬度增大而增大，隨纖維傳輸速度、粉末粒徑的增加而減?。晃靼埠教鞆?fù)合材料研究所陳書華等[16]利用粉末浸漬法制備了碳纖維/PEEK預(yù)浸帶，確定了成型溫度及行進(jìn)速度的工藝參數(shù)，但是制備的預(yù)浸帶含膠量穩(wěn)定性未見報(bào)道。

粉末懸浮法制備熱塑性預(yù)浸紗工藝，將纖維浸膠、熔融浸漬及成型過程分離，具有如下優(yōu)勢：一是浸漬效率高，二是浸漬過程耗費(fèi)成本較低，三是無溶劑殘留，預(yù)浸紗孔隙率低。

本文采用基于粉末懸浮法自行研制的熱塑性預(yù)浸紗實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了PEEK浸漬T700碳纖維的過程中，各工藝參數(shù)(浸漬溫度、張力及牽引速率等)對于預(yù)浸紗的含膠量、尺寸和孔隙率的影響規(guī)律，優(yōu)化T700/PEEK預(yù)浸紗粉末懸浮法成型工藝參數(shù)；利用掃描電鏡觀察并分析了預(yù)浸紗內(nèi)部微觀特征；采用預(yù)浸紗模壓制備了復(fù)合材料層合板試樣，并測試了層間剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度等性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

使用的原料為：碳纖維：日本東麗公司，T700-12K；PEEK粉末：吉林大學(xué)超細(xì)粉，2000目。原材料基本性能參數(shù)如表1所示。

表1 T700碳纖維及PEEK樹脂基本性能參數(shù)Table 1 Fundamental mechanical parameters of T700 carbon fiber and PEEK polymer

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備分為預(yù)浸紗制備設(shè)備和性能測試及表征設(shè)備：預(yù)浸紗制備設(shè)備由南京航空航天大學(xué)復(fù)合材料自動(dòng)化中心自行研制,如圖1所示，共分為6個(gè)部分：張力控制部分，放紗及浸膠裝置，分散劑去除烘道，樹脂熔融浸漬烘道，雙鋼帶輥壓成型裝置以及收卷裝置。

其中浸膠裝置由實(shí)驗(yàn)室自制，采用超聲振動(dòng)方式輔助浸漬，其中超聲頻率為40 kHz，功率調(diào)節(jié)范圍為0～360 W；懸濁液濃度利用在線濁度儀(杭州聯(lián)測公司，0～45 000 mg/L)實(shí)時(shí)監(jiān)測；熔融浸漬溫度由高溫烘道控制，溫度調(diào)節(jié)范圍為0～400 ℃；雙鋼帶輥壓機(jī)由實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)裝配，用以調(diào)節(jié)成型溫度、成型壓力及牽引速率，溫度調(diào)節(jié)范圍為0～350 ℃，成型壓力由壓輥間隙控制，壓輥間隙調(diào)節(jié)范圍為0.1～0.3 mm，牽引速率調(diào)節(jié)范圍為0～30 mm/s；張力由放紗筒減速帶以及張力輥控制，調(diào)節(jié)范圍為0～7 N。

性能測試及表征設(shè)備為：CMT5105型電子萬能試驗(yàn)機(jī)(深圳三思公司)，S4700型掃描電子顯微鏡(日本日立公司)，游標(biāo)卡尺(0.01 mm)，5 mL量筒(0.1 mL)；電子天平(0.000 1 g)。

實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)備可調(diào)參數(shù)及范圍如表2所示。

圖1 熱塑性預(yù)浸紗成型設(shè)備原理圖Fig.1 Schematic diagram of thermoplastic prepreg preparation facility

表2 設(shè)備可調(diào)參數(shù)及范圍Table 2 Adjustable factors and range of device

1.3 預(yù)浸紗制備

粉末懸浮法制備預(yù)浸紗的基本原理為：在超聲浸膠槽內(nèi)，樹脂粉末均勻分散于酒精中，形成穩(wěn)定懸濁液；T700碳纖維經(jīng)由導(dǎo)輥進(jìn)入浸膠槽，在超聲作用下充分展開，纖維單絲均勻吸附懸濁液內(nèi)樹脂顆粒；紗束浸膠后進(jìn)入烘道去除分散劑，再經(jīng)由高溫烘道完成熔融浸漬過程，最后經(jīng)雙鋼帶輥壓機(jī)擠壓成型。

采用控制變量法研究預(yù)浸紗制備實(shí)驗(yàn)不同參數(shù)對于預(yù)浸紗質(zhì)量的影響。浸膠過程中，研究懸濁液濃度、超聲功率等因素對預(yù)浸紗含膠量的影響。在熔融浸漬區(qū)域，均勻吸附在碳纖維上的PEEK粉末完成浸漬過程[17-18]，符合Darcy定律：

(1)

式中：v為樹脂浸漬速率；Δp/h為樹脂在多孔介質(zhì)中的壓力梯度；η為樹脂的表現(xiàn)黏度；K為樹脂在纖維束厚度方向的滲透系數(shù)。

PEEK樹脂的表現(xiàn)粘度可由式(2)計(jì)算得到：

(2)

式中：η0為PEEK黏度常數(shù)；ΔE為黏流活化能；R為氣體常數(shù)；T為浸漬溫度。

PEEK樹脂玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg=143 ℃，熔融溫度Tm=343 ℃，熱分解溫度大于570 ℃[19]。熔融浸漬區(qū)溫度選取原則為能使纖維束內(nèi)部樹脂完全熔融，無氧化現(xiàn)象，基于此原則確定浸漬實(shí)驗(yàn)溫度范圍為350～390 ℃。

PEEK樹脂為部分結(jié)晶高聚物，常溫下是由晶相和非晶相組成的兩相體系。晶相在熔融溫度轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷?，非晶相在熔融溫度附近處于高彈態(tài)與粘流態(tài)之間轉(zhuǎn)變區(qū)，樹脂的彈性模量降低，適宜進(jìn)行成型加工。輥壓過程是預(yù)浸紗展寬及降低孔隙率的過程，這一階段樹脂應(yīng)具有一定的變形性，前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低于280 ℃預(yù)浸紗的展寬基本不變，因此選取輥壓溫度范圍為280～340 ℃。

1.4 預(yù)浸紗質(zhì)量表征

由于自動(dòng)鋪絲用熱塑性預(yù)浸紗沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，參照熱固性預(yù)浸絲束及國外商品化熱塑性預(yù)浸料標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)多組實(shí)驗(yàn)來研究不同工藝參數(shù)對于預(yù)浸紗質(zhì)量的影響規(guī)律，并依據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)確定預(yù)浸紗最終的工藝參數(shù)。為保證成型精度，預(yù)浸紗寬度標(biāo)準(zhǔn)定為熱固性預(yù)浸絲束的6.35 mm；考慮T700碳纖維單絲數(shù)量為12k，并參考國外PEEK熱塑性預(yù)浸紗指標(biāo)，厚度標(biāo)準(zhǔn)定為0.2 mm，預(yù)浸紗孔隙率以低于5%為目標(biāo)。

預(yù)浸紗含膠量采用稱重法測量；預(yù)浸紗尺寸利用游標(biāo)卡尺測量；孔隙率可以反映預(yù)浸紗內(nèi)部樹脂浸潤纖維程度，按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D2734-09進(jìn)行測量，計(jì)算公式為

(3)

式中：φ為孔隙率，%；ρT為理論密度，g/cm3；ρA為實(shí)際測量密度,g/cm3。

利用排水法測量預(yù)浸紗的實(shí)際體積，電子天平稱取預(yù)浸紗質(zhì)量，計(jì)算得到預(yù)浸紗的實(shí)際密度。已知碳纖維及PEEK樹脂密度，由質(zhì)量分?jǐn)?shù)可計(jì)算得到預(yù)浸紗理論密度，即可得到預(yù)浸紗孔隙率。利用掃描電子顯微鏡觀察預(yù)浸紗微觀形貌，驗(yàn)證所制備預(yù)浸紗內(nèi)部纖維的分散狀況以及纖維/樹脂的結(jié)合情況。

1.5 試樣制備及性能測試

文獻(xiàn)[20]研究顯示，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)力學(xué)性能最好，選取含膠量為30%，平均寬度為5.2 mm，平均厚度為0.2 mm的預(yù)浸紗裁剪成合適尺寸的紗段，由于紗段表面無黏性，人工鋪層預(yù)成型(見圖2)后模壓來模擬自動(dòng)鋪絲成型過程。選用超聲作為熱源輔助鋪層之間的粘結(jié)，最后利用平板熱壓裝置模壓制備復(fù)合材料層合板。預(yù)浸紗制備工藝為：懸濁液濃度為3 500 mg/L，浸漬溫度為370 ℃，輥壓溫度為330 ℃，壓輥間隙為0.1 mm,張力為7 N，牽引速率為15 mm/s。模壓工藝流程為：2.5 h升溫至380 ℃，保溫半小時(shí)后降至室溫；300 ℃之前壓強(qiáng)為0 MPa，升溫至300 ℃時(shí)壓強(qiáng)加至12 MPa，保壓直到固化過程結(jié)束。

層間剪切強(qiáng)度參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D2344進(jìn)行測試，試樣厚度為3 mm，寬度為6 mm，長度為20 mm，加載跨距為12 mm，加載速率為1 mm/min。拉伸強(qiáng)度參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D3039M-08進(jìn)行測試，試樣厚度為1 mm，寬度為12.5 mm，長度為250 mm，加載速率為1 mm/min。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3和圖4所示。

圖2 超聲熱源及超聲輔助T700/PEEK預(yù)成型Fig.2 Ultrasonic heat device and ultrasonic assist T700/PEEK prepreg laminated

圖3 層間剪切實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Device of interlaminar shearing test

圖4 拉伸實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.4 Device of tensile test

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)浸紗含膠量

控制張力為5 N，牽引速率為20 mm/s，圖5和圖6分別為超聲功率為360 W時(shí)懸濁液濃度對預(yù)浸紗含膠量的影響及懸濁液濃度為5 000 mg/L時(shí)超聲功率對預(yù)浸紗含膠量的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)浸紗含膠量與懸濁液濃度線性正相關(guān)，線性相關(guān)系數(shù)為0.987 3。穩(wěn)定懸濁液濃度為5 000 mg/L，引入超聲后預(yù)浸紗含膠量由26.1%提升至36.2%，并伴隨著超聲功率的增大逐漸升高。由此可以表明，超聲在浸膠槽內(nèi)展紗作用明顯，紗束與懸濁液接觸面積增大，能夠更有效地吸附樹脂顆粒，提高預(yù)浸紗含膠量。同時(shí)，伴隨著超聲功率的增大，可以看到含膠量測量值的離散性降低，這表明超聲對懸濁液內(nèi)的樹脂顆粒同樣起到震蕩作用，致使懸濁液的均勻度得到提高，有利于保證制品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

圖5 懸濁液濃度對預(yù)浸紗含膠量的影響Fig.5 Resin content influenced by concentration of slurry

圖6 超聲功率對預(yù)浸紗含膠量影響Fig.6 Resin content influenced by ultrasonic power

2.2 預(yù)浸紗尺寸

圖7(a)為浸漬溫度為350 ℃時(shí)，不同張力下牽引速率對于預(yù)浸紗寬度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，牽引速率由10 mm/s提升至25 mm/s時(shí)，不同張力下預(yù)浸紗寬度分別增加26.8%、30.2%和32.4%，繼續(xù)提高速度至30 mm/s時(shí)，預(yù)浸紗寬度有所下降。在高溫烘道中，附著于單絲上的樹脂完成纖維束寬度和厚度方向的浸潤過程，在纖維束初始展寬相同的情況下，浸潤度越高，預(yù)浸紗尺寸收縮越嚴(yán)重。提高牽引速率，預(yù)浸紗在烘道內(nèi)浸漬時(shí)間減少，尺寸收縮較少，表現(xiàn)為寬度的增加。但是當(dāng)牽引速率達(dá)到30 mm/s時(shí)，由于分散劑來不及揮發(fā)完全，對纖維束起到潤濕作用，預(yù)浸紗的初始展寬減小，浸漬后寬度也相應(yīng)減小。

圖7 牽引速率和浸漬溫度對預(yù)浸紗寬度的影響Fig.7 Prepreg width influenced by pulling speed and impregnation temperature

圖7(b)為牽引速率為20 mm/s時(shí)，不同張力下浸漬溫度對預(yù)浸紗寬度的影響。浸漬溫度由350 ℃提高至380 ℃時(shí)，預(yù)浸紗寬度分別降低31.5%、27.8%和19.3%，繼續(xù)提升溫度至390 ℃時(shí)，預(yù)浸料收縮成桿狀。浸漬過程中溫度升高，樹脂流動(dòng)性增強(qiáng)，完成浸潤纖維速度也隨之加快，表現(xiàn)為隨溫度上升預(yù)浸紗尺寸收縮。圖7和圖8顯示，在引入張力后，預(yù)浸紗橫向收縮受到張緊的纖維的約束，伴隨著張力的增大，預(yù)浸紗尺寸的收縮趨勢有所降低。

圖8 輥壓溫度對預(yù)浸紗展寬度影響Fig.8 Prepreg width influenced by rolling temperature

圖9 不同寬度預(yù)浸紗Fig.9 Prepreg of different widths

圖8為輥壓過程中溫度對預(yù)浸紗展寬度的影響趨勢。由圖中可以看出，隨溫度的升高，預(yù)浸紗在輥壓成型過程中展寬度增大，且展寬趨勢愈加明顯。這是由于，越接近熔融溫度，樹脂的變形能力越大，預(yù)浸紗更容易被展寬。值得注意的是，實(shí)驗(yàn)溫度繼續(xù)提升至340 ℃時(shí)，預(yù)浸紗展寬度會(huì)進(jìn)一步提高，但是預(yù)浸紗中的樹脂會(huì)粘附于鋼帶表面，因此，輥壓過程溫度不宜提升至330 ℃以上。此外，壓輥間隙越小，預(yù)浸紗經(jīng)輥壓成型后展寬度越大。圖9為實(shí)驗(yàn)制備的不同寬度預(yù)浸紗(從左至右為3.2、4.5、5.3、5.8、6.2 mm)，6.2 mm預(yù)浸紗制備工藝為：張力為7 N，牽引速率為25 mm/s，浸漬溫度為350 ℃，輥壓溫度為330 ℃，壓輥間隙為0.1 mm。

為了得到寬度符合要求的預(yù)浸紗，實(shí)際制備過程中，應(yīng)在許可范圍內(nèi)增大張力，提高牽引速率，降低浸漬溫度，提高輥壓溫度并減小壓輥間隙。

2.3 預(yù)浸紗孔隙率

圖10(a)為在不同張力下，浸漬溫度對成型前預(yù)浸紗孔隙率的影響。浸漬溫度由350 ℃提高至390 ℃時(shí)，預(yù)浸紗孔隙率分別從28.7%、26.2%、24.8%降低至15.7%、14.1%和13.9%，這是由于溫度的升高導(dǎo)致樹脂的表現(xiàn)黏度降低，浸漬速率變大，在相同牽引速率下，浸潤程度提高，預(yù)浸紗內(nèi)部孔隙率降低。

圖10 浸漬溫度和牽引速率對預(yù)浸紗孔隙率的影響Fig.10 Prepreg porosity influenced by impregnation temperature and pulling speed

圖10(b)為不同張力下，牽引速率對成型前預(yù)浸紗孔隙率的影響。牽引速率由5 mm/s提高至15 mm/s時(shí)，孔隙率基本不變，繼續(xù)提高至30 mm/s時(shí)，不同張力下預(yù)浸紗孔隙率分別由17.1%、16.1%、16.2%升高至31.2%、24.3%和22.1%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)張力及浸漬溫度一定時(shí)，輥壓前預(yù)浸紗的孔隙率伴隨牽引速率的降低呈現(xiàn)先降低后趨于平緩的趨勢，孔隙率與浸漬程度相關(guān)，浸漬程度越高，預(yù)浸紗的孔隙率越低；而浸漬程度又與預(yù)浸紗在熔融浸漬區(qū)域停留時(shí)間相關(guān)，隨著牽引速率降低，預(yù)浸紗浸漬時(shí)間增大，浸漬度也就越完全，孔隙率降低，當(dāng)達(dá)到臨界值15 mm/s時(shí)，牽引速率再降低，孔隙率也就沒有明顯的下降趨勢了。

實(shí)驗(yàn)過程中浸漬壓力由大氣壓提供，隨著張力提高，預(yù)浸紗展寬而厚度減小，因此壓力梯度增大，浸漬速率提高，浸潤度提高，表現(xiàn)為預(yù)浸紗孔隙率隨張力的提高而降低[21]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過浸漬過程后預(yù)浸紗內(nèi)部孔隙率仍處于較高水平，這可能是由于大氣壓提供的壓力梯度不夠以及殘余分散劑的影響。為此，進(jìn)行輥壓成型來進(jìn)一步降低孔隙率并保證預(yù)浸紗表面質(zhì)量。

綜合考慮張力、浸漬溫度及牽引速率對預(yù)浸紗寬度和孔隙率的影響，可以確定浸漬過程工藝參數(shù)為：張力值為7 N，浸漬溫度為360～370 ℃，牽引速率為20～25 mm/s。

圖11為輥壓成型過程中溫度及壓輥間隙對預(yù)浸紗最終孔隙率的影響。成型溫度從300 ℃提高到330 ℃時(shí)，不同壓輥間隙下預(yù)浸紗孔隙率分別從7.3%、9.8%、12.6%下降至1.8%、3.1%和4.2%；改變壓輥間隙從0.3 mm減小到0.1 mm時(shí)，成型壓力增大，不同溫度下孔隙率分別從12.6%、9.4%、7.5%、4.2%下降至7.3%、3.4%、2.4%和1.8%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，輥壓過程溫度的提高以及壓輥間隙的減小，可以有效降低預(yù)浸紗內(nèi)部孔隙率。

圖11 輥壓溫度及壓輥間隙對預(yù)浸紗孔隙率的影響Fig.11 Prepreg porosity influenced by rolling temperature and roller gap

圖12 輥壓成型前后預(yù)浸紗SEM照片對比Fig.12 SEM pictures of prepreg before and after rolling

圖12為預(yù)浸紗輥壓前后SEM照片，可以直觀地反映出，預(yù)浸紗在輥壓成型過程中孔隙率的明顯減小。成型前在預(yù)浸紗內(nèi)部，部分纖維與樹脂結(jié)合后團(tuán)聚，由于壓力不足或殘留有分散劑，聚集區(qū)之間存在較大氣孔；而成型后預(yù)浸紗內(nèi)部纖維分散均勻，樹脂與纖維之間結(jié)合致密。預(yù)浸紗的孔隙率將會(huì)直接影響復(fù)合材料的成型工藝及性能，國外商品化預(yù)浸紗的孔隙率與國內(nèi)文獻(xiàn)報(bào)道的熱塑性預(yù)浸紗的孔隙率均低于5%，實(shí)驗(yàn)顯示壓輥間隙在0.2 mm以下，輥壓溫度在320 ℃以上可達(dá)到孔隙率標(biāo)準(zhǔn)。因此，綜合考慮輥壓溫度和壓力對預(yù)浸紗展寬和孔隙率的影響，確定輥壓成型工藝參數(shù)為：輥壓溫度為330 ℃，壓輥間隙為0.1 mm。確定成型工藝后制得孔隙率為2.3%的預(yù)浸紗局部SEM照片如圖13所示，圖中可以看出，每根單絲均有樹脂包覆且無明顯間隙，纖維與樹脂結(jié)合良好。

圖13 孔隙率為2.3%的預(yù)浸紗SEM照片F(xiàn)ig.13 SEM picture of prepreg with porosity of 2.3%

2.4 力學(xué)性能

T700/PEEK復(fù)合材料單向?qū)雍习鍖娱g剪切性能及拉伸性能如表3所示。

層間剪切強(qiáng)度達(dá)到73.43 MPa，低于文獻(xiàn)[20]報(bào)道的最高值100.04 MPa。文獻(xiàn)中模壓過程保溫時(shí)間為70 min，是引起性能差異的主要原因，較長的保溫時(shí)間有助于樹脂熔融流動(dòng)，得到更好的鋪層界面結(jié)合效果；此外，試樣在超聲輔助模擬自動(dòng)鋪放成型過程中由于人工控制具有不穩(wěn)定性，也會(huì)導(dǎo)致性能的下降。觀察破壞后的層間剪切試樣， 圖14和圖15為典型的分層破壞形式及破壞后截面形貌圖。為滿足自動(dòng)鋪放成型的高性能要求，自動(dòng)鋪放成型的過程中應(yīng)選取適宜的成型溫度，并保證熱源與壓力的穩(wěn)定。拉伸強(qiáng)度達(dá)到1.71 GPa，略低于文獻(xiàn)[15]報(bào)道T700/PEEK預(yù)浸帶拉伸強(qiáng)度1.81 GPa，文獻(xiàn)中T700/PEEK預(yù)浸帶含膠量為27.5wt%，作為主要承載相的碳纖維含量較高，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度的提高。

表3T700/PEEK單向?qū)雍习鍖娱g剪切及拉伸性能

Table3InterlaminarshearstrengthandtensilestrengthofT700/PEEKunidirectionallaminates

ParameterResincontent/wt%Interlaminarshearstrength/MPaLongitudinaltensilestrength/GPaValue30．173．431．71

圖14 層間剪切試樣破壞Fig.14 Breakage of interlaminar shearing sample

圖15 破壞試樣截面形貌Fig.15 Cross-section SEM picture of broken sample

3 結(jié) 論

1) 實(shí)驗(yàn)表明粉末懸浮法制備T700/PEEK預(yù)浸紗是可行的，通過研究不同工藝參數(shù)對預(yù)浸紗尺寸及孔隙率的影響規(guī)律，得到優(yōu)化的T700/PEEK預(yù)浸料制備工藝參數(shù)。

2) 預(yù)浸紗含膠量與粉末懸濁液的濃度線性正相關(guān)，引入超聲進(jìn)行展紗可有效提高預(yù)浸紗的含膠量及質(zhì)量穩(wěn)定性。

3) 掃描電鏡觀察顯示，粉末懸浮法制備預(yù)浸紗內(nèi)部纖維分散均勻，纖維與樹脂界面結(jié)合良好。

4) 采用粉末懸浮法生產(chǎn)的T700/PEEK預(yù)浸紗制備的單向復(fù)合材料層合板，層間剪切強(qiáng)度可達(dá)到73.43 MPa，縱向拉伸強(qiáng)度可達(dá)到1.71 GPa。