详解：PEEK基碳纤维带的共固化粘结

来源：高分子物理学

复合材料自20世纪60年代问世以来迅速发展，在各类航空航天飞行器上的应用不断增加。例如，新一代民用飞机，包括空客A350和波音787，包含了重量超过50%的复合材料。

碳纤维增强塑料因其重量轻、优良的结构性能和高设计灵活性而广泛应用于航空航天工业。以波音787为例，其机体的主要结构机身和机翼几乎都由碳纤维增强复合材料制成。

因此，必须开发合适的复合材料连接技术，以应对其在航空航天应用中的快速增长。

共固化键合粘结工艺

复合材料连接件的粘接工艺可分为三类，分别为二次粘结、共粘结和共固化。

共固化键合一般是指碳纤维/环氧树脂复合材料由热固性粘合剂粘合，比较典型的就是环氧树脂。

但是现在有一种趋势是用热塑性塑料比如PEEK和PPS来代替环氧树脂，因为热塑性塑料有一些环氧树脂没有的优点：
1、具有优异的力学性能、断裂韧性和热稳定性。
2、保质期无限长，不要求低温储存和遮光运输。
3、在共固化过程中没有溢流，可以精确控制粘接厚度。
4、对于先进的热塑性材料，复合材料与粘结剂共固化粘接条件不需要完美匹配。

具体步骤
1.表面预处理
使用不同强度的紫外光对CF/PEEK带的表面进行照射，使其C-C与C-H断裂，其表面活性随之提高。

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%，与水的接触角从80.22°下降到67.49°。改善了纤维带的粘附性，提高其机械性能。

2.实验件制备
首先制备紧密结合的碳纤维/环氧树脂层，其次用UV处理过的CF/PEEK或FM300粘合剂将其连接，最后对其真空高温高压固化。

△性能表征与测试

1.单搭接剪切实验
在三种不同条件下进行测试，包括22◦C和130◦C的静加载条件和22◦C的疲劳加载条件。

△（a)共固化粘结接头在22℃和130℃下的搭接剪切强度

（b）共固化粘接接头的疲劳寿命

搭接剪切强度(LSS)在22℃与130℃下分别提升了47%与68%。

此外，CF/PEEK粘结接头的热稳定性明显优于粘结接头。(17%/5%）疲劳寿命提高到3.4倍。( 58.4 k / 257.0 k)

2.SLS失效表征

△SLS试样失效表面照片和SEM图像

(a)-(c)失效表面 (d)侧视图图像 (e)-(g)失效表面SEM

△SLS试样SEM图像

总结与评论
在使用CF/PEEK带替代传统粘合剂后，
搭接剪切强度在22℃与130℃下分别提升了47%与68%，疲劳寿命提高到4.39倍。
Ⅰ型断裂能在22℃与130℃下分别提升了70%与182%。
Ⅱ型断裂能在22℃与130℃下分别提升了59%与54%。
CF/PEEK胶带具有比环氧粘接剂相比的其他优点。

△FM300与CF/PEEK粘接接头的关键结构性能图

相比于FM300等传统环氧胶黏剂，CF/PEEK带接头会更适合于航空航天的应用中。

另外该项研究为碳纤维/环氧复合材料与碳纤维/PEEK带共固化粘接的发展提供了一定的实验基础。

参考文献
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.张璇,沈真.航空航天领域先进复合材料制造技术进展[J].纺织导报,2018(S1):72-79.DOI:10.16481/j.cnki.ctl.2018.s1.012.