在高性能材料领域，聚芳醚酮（PAEKs），尤其是聚醚酮酮（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行业占据了一席之地，在机翼襟翼、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劲性能，还源于可用等级的多样性，每种等级都是为特定应用量身定制的。然而，这种适应性也带来了一系列挑战，尤其是在自动化胶带放置(ATP- Automated Tape Placement)等制造过程中。
ATP 代表着制造效率的飞跃，提供了快速的生产率、自动化和高重复性。然而，使 ATP 具有吸引力的速度在实现复合材料零件的一致结晶度方面引入了复杂性。结晶度，或聚合物中的分子有序度，是影响复合材料力学、热学和化学性能的关键因素。实现均匀结晶度至关重要，尤其是对于像 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，即材料承受高温和高压，但持续时间有限。这种受限制的时间范围可能会阻碍所需结晶度水平的发展，从而可能影响零件质量和性能。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学术追求，也是迫切的工业需求，这突出了深入研究 CF/PEKK 复合材料结晶动力学和形态的必要性。
本文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，我们旨在应对这些挑战，并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
在像 PEKK 这样的高性能热塑性复合材料中追求均匀结晶度，特别是当通过自动胶带放置（ATP）制造时，揭示了加工条件和材料性能之间的复杂相互作用。本节深入探讨了在制造过程中控制结晶度的挑战及其对复合材料强度、耐久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 复合材料经过不同的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。更高的结晶度由于更紧密的分子和晶体填充而导致强度和刚度增加，这增强了变形的抵抗力并防止材料在晶体结构内滑动。相反，较低的结晶度产生强度和刚度降低的更具延展性的材料。
实现均匀结晶的挑战：
（通过自动胶带放置（左）和热压罐（右）固结的层压板示意图。不同深浅的蓝色显示基质中结晶度的变化）
ATP 制造工艺的快速发展限制了材料暴露在高温和高负荷下。这一限制对在复合材料零件上形成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。
非均匀结晶度的含义：
结晶度不均匀会导致复合材料的机械性能发生变化，影响其在使用寿命内的可靠性和性能。例如，结晶度的变化会影响复合材料的层间剪切强度（ILSSinterlaminar shear strength）和弯曲强度，可能会显著降低这些性能。
研究差距和未来方向：
尽管对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。这一差距突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。
处理条件的作用：
温度、压力和冷却速率等加工条件对结晶度的发展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 层压板的整个厚度的结晶度，对于优化制造工艺和提高复合材料性能至关重要。
揭示结晶性：创新的研究方法
在解开 PEKK 复合材料结晶度复杂性的过程中，本研究采用了最先进的技术，如差示扫描量热法（DSC- Differential Scanning Calorimetry）和扫描电子显微镜（SEM- Scanning Electron 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 预浸料带在不同温度下进行等温保持时的 DSC 热谱图，显示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 和 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- Differential Scanning Calorimetry）：
DSC 技术用于等温和非等温结晶分析，在理解PEKK 的结晶动力学方面发挥着关键作用。纯 PEKK粉末和 CF/PEKK 预浸带的样品经过了严格的测试，以确保可重复性，并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，有助于确定最佳加工条件。
扫描电子显微镜（SEM- Scanning Electron Microscopy）：
(从熔体中经历（a）220°C、（b）260°C 和（C）300°C的等温保温后，低温断裂的 CF/PEKK 样品的 SEM。红色注释突出显示球晶结构，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。这项技术在检测低温断裂后的界面粘附力和基体形态方面尤其重要，突出了结晶度对复合材料机械完整性的影响。通过用金溅射涂覆（sputter coating the sampleswith gold）样品以增强导电性，SEM 图像揭示了晶体结构和空隙率的复杂细节，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，本研究对 CF/PEKK 复合材料的结晶动力学和形态有了全面的了解。这些发现强调了控制加工条件以达到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。这种研究方法不仅提高了我们对 PEKK 复合材料的认识，而且为优化高性能应用中的制造参数奠定了基础。
从见解到应用：推进热塑性复合材料制造
通过自动胶带放置（ATP）制造的 CF/PEKK 层压板结晶度梯度的全面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。
关键发现和创新：
该研究精心应用了基于 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。一项关键发现是确定了 220–260°C 的最佳等温保温温度范围，以实现 CF/PEKK 复合材料的卓越球晶发展，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 在不同等温温度下相对结晶度发展的时间-温度转换图。相对结晶度为 1 意味着根据结晶度值，材料已达到其完全结晶潜力)
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 CF/PEKK 复合材料零件的结晶度，从而优化其机械性能。通过建立等温保温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，提高了制造工艺的精度。
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，这对其在航空航天等高风险行业的应用至关重要.
CF/PEKK 预浸胶带
结晶动力学的详细分析和可靠建模方法的发展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，从而生产出符合严格性能标准的复合材料。
限制和未来方向：
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，强调了进一步研究弥合这一差距的必要性。
鼓励未来的研究探索这些发现的可扩展性，重点是调整工艺参数，以在大规模生产环境中保持复合材料的结晶度和性能。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卓越制造的里程碑。
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苛刻要求的下一代热塑性复合材料开辟了道路。
参考
我们最深切地感谢Helena Pérez-Martín 对通过自动胶带放置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”为材料科学的复杂性提供了宝贵的见解，并极大地丰富了本文的内容。Helena 致力于提高我们对热塑性合成材料的理解，不仅为航空航天制造的未来创新铺平了道路，还激励了材料科学领域的无数专业人士和爱好者。
感谢Helena Pérez-Martín 对高性能复合材料世界的重大贡献。Addcomposites 是芬兰阿尔托大学的一个研究项目初创公司，专门从事可访问的自动化复合材料制造系统。它开发了一种名为 AFP-XS 的即插即用解决方案，用于自动纤维放置（AFP）/自动胶带铺设（ATL）过程，可安装在任何现有的机械臂上。这款小巧轻便的工具每月只需数千欧元即可订阅。通过在内部开发每个子系统、控制和软件元素，Addcomposites 为消费者提供了最低的成本，同时保持了航空航天级的质量。这种成本和性能使制造商可以简单地租用其设施的铺放头，并将已经购买的机械臂转换为高质量的ATL/AFP 系统。AFP-XS 系统可与干纤维、热固性预浸料和低温热塑性复合胶带配合使用，生产出重量轻、形状复杂的结构，可优化承载能力和效率。
来源：原 文 见 ，《 CF/PEKK Thermoplastic Composites Process: HowCrystallinity Shapes the Future of AerospaceManufacturing 》
