熱塑性CF-PAEK（PEEK）包覆成型工藝，熔體溫度對界面結(jié)合強度的影響

　　上文中，智上新材結(jié)合專業(yè)論文，介紹了在熱塑性碳纖維聚芳醚酮（CF-PAEK）和聚醚醚酮（PEEK）這兩種復(fù)合材料包覆成型過程中，模具溫度對兩者結(jié)合的界面強度的影響，了解了溫度提升后，不僅會提高界面結(jié)合強度，還會增強剪切強度。本文將繼續(xù)介紹樹脂熔融的溫度，對兩種復(fù)合材料包覆成型后界面結(jié)合強度的影響。
　　熔體溫度對熱塑性CF-PAEK（PEEK）復(fù)合材料界面結(jié)合強度的影響

　　1、不同熔體溫度下包覆成型復(fù)合材料的剪切強度：上圖顯示了PEEK/CCF-PAEK和SCF-PEEK/CCF-PAEK試樣在不同熔化溫度下的剪切強度，其中PEEK/CCF-PAEK的剪切強度分別為69MPa、67MPa、71MPa、67MPa和66MPa，SCF-PEEK/CCF-PAEK試樣的剪切強度分別為84MPa、84MPa、85MPa、87MPa和83MPa。對比兩種熱塑性樹脂包覆成型復(fù)合材料試樣的剪切強度數(shù)據(jù)可知，當(dāng)模具溫度為260℃時，熔體溫度提升后對PEEK/CCF-PAEK界面結(jié)合強度的影響先提升，后下降。

　　2、不同熔融溫度下SCF-PEEK/CCF-PAEK試樣界面結(jié)合效果：上圖顯示了SCF-PEEK/CCF-PAEK復(fù)合材料在不同熔融溫度下的界面結(jié)合狀態(tài)，當(dāng)模具溫度為260℃時，PAEK和PEEK之間的邊界變得不清晰。隨著熔體溫度升高，SCF-PEEK中越來越多的短碳纖維進入PAEK樹脂中。上圖中紅圈所示，短碳纖維跨越邊界連接兩種基體樹脂，提高界面結(jié)合強度。當(dāng)界面處形成樹脂共混區(qū)時，可以通過提高熔融溫度來改善SCF-PEEK樹脂的流動性。可以將更多短碳纖維插入富含樹脂的區(qū)域以增強界面。

　　根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可知，當(dāng)模具溫度為260°C、PEEK/CCF-PAEK的熔體溫度為400°C時，包覆成型的復(fù)合材料的剪切強度最高，可達71MPa；而SCF-PEEK/CCF-PAEK的熔體溫度為410°C時，復(fù)合材料試樣的剪切強度最高，可達87MPa。

　　分子動力學(xué)模擬分子鏈擴散和界面形成過程，模具溫度更具影響力

　　如上圖顯示，事先將PAEK樹脂涂成棕色，將PEEK樹脂涂成綠色，通過電子掃描顯微鏡觀察兩種熱塑性復(fù)合材料包覆成型的具體過程，觀察分子間擴散和界面形成過程。結(jié)果表明，模具溫度顯著影響界面結(jié)合強度，而熔體溫度幾乎沒有影響。因此將實驗中模具溫度作為模擬觀察的核心因素，設(shè)定注塑溫度設(shè)定為400℃，模具溫度分別設(shè)定為220℃、240℃、260℃、280℃。數(shù)據(jù)顯示，隨著模具溫度的升高，一些分子鏈穿過界面并與另一層分子鏈糾纏在一起。在PEEK/PAEK兩種熱塑性復(fù)合材料包覆成型中，界面的形成不僅取決于兩個分子鏈的相互運動，還取決于分子的自運動。

　　上圖a顯示了PAEK和PEEK這兩種樹脂界面結(jié)合處不同模具溫度下的旋轉(zhuǎn)半徑，在不同的加工條件下，當(dāng)達到300℃的穩(wěn)定狀態(tài)時，整個系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)半徑逐漸增大。上圖b顯示了PEEK和PAEK這兩種樹脂界面結(jié)合處不同模具溫度下的平均方位角位移-時間曲線?？偲骄轿唤瞧齐S時間迅速增加，表明隨著溫度升高，分子運動加快，界面結(jié)合強度獲得提升。但當(dāng)溫度超過280℃后，平均方位值偏移量趨于平穩(wěn)，界面結(jié)合強度也停止了增加。

　　上圖顯示了兩個體系在不同模具溫度下的界面結(jié)合能和擴散系數(shù)?？梢钥闯?，當(dāng)模具溫度從220 ℃升高到280 ℃時，擴散系數(shù)從7.3*10^-10m²·s^-1增大到14.0*10^-10m²·s^-1，并且界面能的絕對值從233.4 kcal·mol^-1急劇增加到450.8kcal·mol^-1。與其他溫度變化相比，模具溫度從220℃升高到240℃時擴散系數(shù)變化較大。此時分子擴散速率增大，與試樣的剪切強度趨勢相同。

　　結(jié)合前文和本文，可知在熱塑性碳纖維聚芳醚酮和聚醚醚酮復(fù)合材料的包覆成型工藝中，模具溫度和熔體溫度對整體復(fù)合材料機械性能和界面結(jié)合強度都有較大的影響。選擇合適的模具溫度和熔體溫度，可以制備出性能更為優(yōu)秀的熱塑性碳纖維聚芳醚酮類包覆復(fù)合材料。