連續碳纖維織物增強PEEK熱塑性復合材料檢測方法研究

王二平 譚宗尚 陸士強 劉哲

摘 要 連續碳纖維增強PEEK復合材料作為一種典型的熱塑性復合材料，國內無論從基礎研究、生產、加工等方面，均處于研發驗證階段。本文借助外觀檢測、顯微分析、無損檢測、層間性能等方式考察了連續碳纖維織物增強PEEK復合材料檢測的可行性。多種檢測手段并用，相互補充，確保制作的熱塑性復合材料質量可控。使用的各種檢測方法可供業界借鑒參考。

關鍵詞 連續CF/PEEK；熱塑性復合材料；LF-CF/PEEK； PEEK；無損檢測

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。研究方向為連續碳纖維增強PEEK熱塑性復合材料。E-mail：419544551@qq.com

1 引言

連續碳纖維增強PEEK（簡稱連續CF/PEEK）熱塑性復合材料，因其耐高溫、耐濕熱且尺寸穩定性好、韌性好、耐疲勞性優異、可回收、透X光、良好的生物相容性等優勢，部分取代傳統連續碳纖維增強熱固性樹脂復合材料，應用于航空航天、軍工、醫療、高端機械密封等高端領域^［1-4］。傳統的碳纖維表面上漿劑主成分為環氧樹脂，與PEEK樹脂并不兼容。由于PEEK粘度高，熔融溫度高，對碳纖維浸潤性差，如何提高纖維和樹脂界面的層間強度，進而提高復合材料的綜合性能，成為業界關注和攻克的焦點^［5-8］。另外，PEEK樹脂作為一種典型的半結晶塑料，隨著生產加工工藝的不同，結晶度不同，與碳纖維結合時，無法像纖維增強熱固性樹脂一樣形成穩定的復合材料結構。因此，傳統的復合材料檢測方法在連續CF/PEEK復合材料檢測方面未必可行。

本文結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合材料有限公司的研發、生產和加工實踐經驗，借鑒熱固性復合材料檢測經驗，從外觀檢測、顯微分析、無損檢測、層間性能等方面對連續碳纖維織物增強PEEK（簡稱LF-CF/PEEK）復合材料檢測結果進行詳細描述。希望為熱塑性復合材料行業提供部分技術支撐和參考^［9-10］。

2 試驗

2.1 試驗材料

LF-CF/PEEK代表連續碳纖維織物增強PEEK復合材料：公司采用高溫高壓制作而成。

2.2 試驗采用設備和試樣

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掃水浸設備：上海冠域檢測科技有限公司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（相共振設備）：奧林巴斯OMNISCAN SX系列；

射線分析：上海冠域檢測科技有限公司UNIDR2530系列；

萬能試驗機：美特斯MTS-50系列。

3 檢測結果與分析

3.1 LF-CF/PEEK外觀檢測考察

首先借助LF-CF/PEEK復合材料的外觀效果初步判定樹脂浸潤的效果。浸潤完好的復合材料產品外觀顏色基本呈現均一變化，沒有色差。在厚度層間方向，會出現交錯有致的多邊環形紋理結構。外檢檢測結果如圖1所示。

從圖1可以看出，不同浸潤狀態的復合材料，從表觀和側面會顯示不同的狀態。由圖1（a）可知，復合材料表面局部發白，局部發暗發黑，沒有光澤，另外，圖1（c）可知，層間結合部位，明顯存在樹脂局部富集，或者沿著纖維鋪放，沒有呈現線性分布。圖1（b）和圖1（d）碳纖維的編織紋理結構清晰可見。由此可以初步得出，圖1（a）和圖1（c）復合材料存在明顯的樹脂浸潤不良現象，圖1（b）和圖1（d）樹脂浸潤正常。

3.2 LF-CF/PEEK加工端面金相顯微分析

對3.1中板材Ⅱ取樣進行金相顯微分析，對其端面進行處理加工。按照GB/T 3365-2008《碳纖維增強塑料空隙率含量和纖維體積含量試驗方法》，先借助180目水磨砂紙粗磨，再借用1500目水磨砂紙細磨，制備金相顯微測試樣片。金相顯微鏡下LF-CF/PEEK復合材料端面的檢測狀態如圖2所示。

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

因為樣品處理的效果以及平面度等級將直接影響到圖像的采集清晰程度，進而影響到金相顯微鏡分析結果。因此，采用金相顯微鏡進行分析，樣品的處理及其重要。

3.3 LF-CF/PEEK 超聲B掃無損檢測

從3.2可知，雖然LF-CF/PEEK復合材料只有碳纖維和PEEK兩種材料復合而成，但其材料內部不同區域PEEK樹脂含量分布不同，無法形成均質結構。針對傳統應用于均質材料檢測的設備無法在熱塑性復合材料產品上正常應用。適用于熱固性復合材料的檢測設備，也存在一定的局限。針對3.1板材Ⅱ借助超聲B掃即相共振的檢測結果如圖3所示。

由圖3可知，不同部位檢測結果并不相同。圖3（a）檢測圖譜相對正常，因為板材邊緣PEEK樹脂相對比較富集，相對容易形成類均質結構。板材內部，檢測都顯示表層存在一定的雜波干擾，部分波可以穿透，但是衰減嚴重，說明板材內部對波吸收比較嚴重。由此可知，采用B掃檢測，所選用的探頭頻率和設置參數不當，需要進一步調整探頭參數，進行驗證。

3.4 LF-CF/PEEK C掃無損檢測

采用GJB1038.1A《纖維增強復合材料無損檢測方法》水浸式脈沖反射法進行復合材料檢測，相關檢測結果如圖4所示。

圖4（a）和圖4（b）采用1MHz的探頭進行檢測；圖4（c）和圖4（d）采用5MHz的探頭進行檢測。圖4（a）借助3.1初步評估板材一端部存在開裂的狀態，其他三塊板借助3.1初步檢測評估正常的板材。由右圖4超聲水浸效果，可以清晰看到板材內部的結合效果。圖4（a）中紅色，黃色，白色為復合材料嚴重未貼合區域，通過檢測曲線和圖像可以了解板材缺陷的具體部位；圖4（b）檢測結果和初步評估相同；圖4（c）～圖4（d）超聲檢測內部存在少量微孔，因為5MHz檢測頻率高，靈敏度高，微小缺陷即可以顯示。

使用同樣的檢測方法，對由3.1中板材Ⅰ復合材料做成的具體制品進行檢測。已知制品在加工螺紋附近，存在微裂紋。檢測結果如圖5所示。

由圖5可知，檢測曲線結果不理想。針對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。在超聲測試階段發現，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，針對異型復合材料制品檢測，采用普通的超聲C掃水浸不太適合。

3.5 LF-CF/PEEK射線檢測

將3.4中無法采用超聲檢測的復合材料制品，借助射線進行檢測。檢測結果如圖6所示。

通過合適的射線檢測方案，可以檢測出這種材料的內部未熔合等缺陷。經檢測，發現紅色標記處有一處未熔合缺陷。

3.6 LF-CF/PEEK層間性能檢測

為進一步表明PEEK樹脂對碳纖維的浸潤效果，對3.4中涉及復合材料板材進行彎曲性能和短梁強度檢測。分別借鑒ASTM D7264《聚合物基復合材料彎曲性能標準試驗方法》和ASTM D2344《聚合物基復合材料及其層壓材料短梁強度的標準試驗方法》標準進行制樣測試。針對厚板彎曲性能的樣條尺寸，長度×寬度×厚度按照120mm×13mm×4mm，采用機加工制作，薄板彎曲性能樣條尺寸長度和寬度維持不變，厚度按照實薄板的厚度；針對厚板短梁強度的樣條尺寸，長度×寬度×厚度按照4mm×8mm×24mm，采用機加工制作；薄板彎曲性能樣條尺寸長度維持不變，寬度×厚度按照2：1比例準備。相關測試數據如表1所示。

從表1可看出，板材Ⅰ的彎曲強度、彎曲模量和短梁強度均低于板材Ⅱ的測試結果，因為板材Ⅰ樹脂浸潤纖維效果不理想，在外力作用下，纖維與基體的界面應力傳遞效果較浸潤理想狀態減低很多，最終在比較低的作用力下即發生失效破壞。

相對板材Ⅱ的檢測結果，板材Ⅲ的檢測結果都有所提高，數據增加10%左右。一方面使用復材厚板加工成測試樣條，樣條表面的部分纖維因為加工由連續變成不連續狀態，本身承載力減小；一方面，機加階段，因為刀具選型和機加的參數不同，對樣條本身也會造成一定的損傷；另一方面，厚板相對薄板，板材越厚，產生孔隙等不良幾率增加。多種原因下，按照同樣的檢測標準，厚板的檢測性能一般都會低于相應薄板的檢測性能。

4 結語

由上述分析可知，針對連續CF/PEEK復合材料存在形式不同，采用的檢測方式也有不同：

（1）借助目視檢測復合材料外觀，借助視頻顯微鏡檢測層間狀態，可以初步評估復合材料的結合效果；

（2）結合視頻顯微鏡檢測復合材料加工端面，借助孔隙率檢測，可以進一步評估復合材料層間結合效果；

（3）采用超聲無損檢測，可以對LF-CF/PEEK復合材料板材進行檢測，鑒別其存在的缺陷及相對位置，但需要配置合適的探頭種類及其檢測參數，否則未必可以達到預期效果；

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

（5）借助彎曲性能和短梁強度檢測可以評估復合材料PEEK樹脂浸潤碳纖維的效果，形成量化的數據指標。

因為LF-CF/PEEK制品形式很多，為準確判定產品質量，及時發現制品缺陷，確保制品可控，需要借鑒多種檢測方式，共同參考判定。

參 考 文 獻

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