在高性能材料领域，聚芳醚酮（PAEK），特别是聚醚酮酮（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工业中占据了一席之地，在襟翼、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大性能，还源于可用等级的多样性，每种等级都针对特定应用量身定制。然而，这种适应性也带来了一系列挑战，特别是在自动铺带放置（ATP）等制造过程中。

     来源：杨超凡    

热塑性复合材料的复杂世界：探索结晶度梯度

ATP代表了制造效率的飞跃，提供了快速的生产率、自动化和高可重复性。然而，使ATP具有吸引力的速度为在复合材料部件之间实现一致的结晶度带来了复杂性。结晶度，或聚合物内的分子有序度，是影响复合材料机械、热和化学性能的关键因素。实现均匀结晶度至关重要，特别是对于像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，在这种过程中，材料会受到高温和高压的影响，但持续时间有限。这种受限制的时间框架可能会阻碍所需结晶度水平的发展，从而可能损害零件质量和性能。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一项学术追求，也是一项紧迫的工业需求，突显了深入研究CF/PEKK复合材料结晶动力学和形态的必要性。

本博客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，我们的目标是应对挑战，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PEKK等高性能热塑性复合材料中追求均匀结晶度，特别是通过自动铺带（ATP-AutomatedTapePlacement）制造时，揭示了加工条件和材料性能之间的复杂相互作用。本节深入探讨了制造过程中控制结晶度的挑战及其对复合材料强度、耐用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复合材料在经过不同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。由于更紧密的分子和晶体堆积，更高的结晶度导致强度和刚度增加，从而增强了抗变形性并防止材料在晶体结构内滑动。相反，较低的结晶度会产生更具延展性的材料，但强度和刚度会降低。

实现均匀结晶度的挑战：

通过自动铺带放置（左）和热压罐（右）加固的层压板示意图。不同深浅的蓝色显示了基质内的结晶度变化

• ATP制造工艺的快速发展限制了材料在高温和负载下的暴露。这种限制对整个复合材料部件的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。

非均匀结晶度的影响：

• 不均匀的结晶度会导致整个复合材料的机械性能变化，影响其在使用寿命期间的可靠性和性能。例如，结晶度的变化会影响复合材料的层间剪切强度（ILSS-interlaminarshear strength）和弯曲强度，从而可能使这些性能大幅降低。

研究差距和未来方向：

• 尽管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。这一差距凸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。

加工条件的作用：

• 温度、压力和冷却速率等加工条件在结晶度发展中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层压板厚度上的结晶度，对于优化制造工艺和提高复合材料性能至关重要。

揭示结晶度：创新研究方法

在解开PEKK复合材料结晶度复杂性的过程中，这项研究采用了最先进的技术，如差示扫描量热法（DSC-DifferentialScanning Calorimetry）和扫描电子显微镜（SEM-ScanningElectron 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预浸带在不同温度下进行等温保持时的DSC热图，显示了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至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）：

• DSC技术用于等温和非等温结晶分析，在理解PEKK的结晶动力学方面起着关键作用。纯PEKK粉末和CF/PEKK预浸带样品经过严格测试，以确保可重复性，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来帮助确定最佳加工条件。

扫描电子显微镜（SEM）：

从熔体中经过（a）220°C、（b）260°C和（C）300°C的等温保持后，冷冻断裂的CF/PEKK样品的SEM。红色注释突出显示了球晶结构，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。这项技术在检查低温断裂后的界面粘附和基体形态方面特别有用，突出了结晶度对复合材料机械完整性的影响。通过用溅射度金涂覆样品（Bysputter coating the samples with gold to enhanceconductivity）以提高导电性，SEM图像揭示了晶体结构和空隙含量的复杂细节，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，本研究全面了解了CF/PEKK复合材料的结晶动力学和形态。这些发现强调了控制加工条件以实现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。这一研究方法不仅增进了我们对PEKK复合材料的了解，而且为优化高性能应用中的制造参数奠定了基础。

从洞察到应用：推进热塑性复合材料制造

通过自动铺带（ATP）制造的CF/PEKK层压板结晶度梯度的综合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。

主要发现和创新：

• 该研究细致地应用了基于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。

• 一个关键的发现是确定了220-260°C的最佳等温保持温度范围，以实现CF/PEKK复合材料的优异球晶发育，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在不同等温状态下的相对结晶度发展的时间-温度转变图。基于结晶度值，相对结晶度为1表示材料已达到其全部结晶潜力 

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，从而优化了结晶度，进而优化了CF/PEKK复合材料部件的机械性能。

通过建立等温保持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，提高了制造过程的精度。

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，这对它们在航空航天等高风险行业的应用至关重要。

CF/PEKK预浸带

• 结晶动力学的详细分析和可靠建模方法的开发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，从而获得符合严格性能标准的复合材料。

局限性和未来方向：

• 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，强调了需要进一步研究来弥合这一鸿沟。

• 鼓励未来的研究探索这些发现的可扩展性，重点是调整加工参数，以保持复合材料在大规模生产环境中的结晶度和性能。

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制造卓越的里程碑。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要求的下一代热塑性复合材料奠定了基础。

参考资料

我们衷心感谢海伦娜·佩雷斯·马丁(HelenaPérez-Martín)对自动铺带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）- "StudyingCrystallinity Gradients in HighPerformanceThermoplastic Composites Manufactured by Automated TapePlacement" ”为材料科学的复杂性提供了宝贵的见解，极大地丰富了本博客的内容。海伦娜致力于提高我们对热塑性材料的理解，这不仅为航空航天制造业的未来创新铺平了道路，也激励了材料科学领域的无数专业人士和爱好者。感谢海伦娜·佩雷斯·马丁对高性能复合材料世界的重大贡献。

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原文，《CF/PEKKThermoplastic Composites Process: How Crystallinity Shapes the Futureof Aerospace Manufacturing 》

           2025.1.23

杨超凡  2025.2.10

（转自：复材网）