连续碳纤维增强热塑性零部件能应对巨大温差变化

连续碳纤维增强热塑性复合材料拥有优异的性能，适用于航空航天这类性能要求严格的工作环境。目前国内已有较为成熟的连续碳纤维(CF) 增强聚苯硫醚 (PPS) 及聚醚醚酮(PEEK)复合材料单向预浸带UD产品，并成功进入量产阶段。

国内专注于热塑性碳纤维产品研发和应用的是国内较早采用熔融浸渍工艺制备连续CF增强PPS/PEEK预浸带的零部件定制商，在UD预浸带的基础上，利用特定的工艺使之模压成型为各类零部件产品。

这些零部件产品在使用过程中需要面对不同温度环境的考验，因此其性能的稳定性是评价该类材料优劣的重要指标之一，尤其是注重安全性的航空航天领域，在提高材料性能的同时关注材料性能的稳定性具有十分重要的意义。

制作连续碳纤维增强热塑性零部件的同时，考察了不同温度工作环境对其性能的影响，结果表明，这些零部件在不同温度条件下都呈现出较为稳定的性能特征。其中，层间性能是考察的重要内容之一，因为由预浸带制作的零部件其层间性能在很大程度上制约着整体性能表现，良好的层间性能能够避免零部件的层间状态在受力过程中被过早地破坏，有助于充分发挥出连续碳纤维的承载能力。

为进一步检验零部件在不同温差环境下的层间性能，实验中发现随着温度的升高，连续碳纤维增强热塑性零部件的ILSS会有一定程度的下降。这是因为随着温度的升高，聚合物链段从冻结状态逐步向剧烈运动状态转变，尤其是当温度超过玻璃化转变温度时，树脂基体的性能有所弱化。另一方面，由于热塑性树脂基体和增强碳纤维之间的热膨胀系数不同，升高温度将导致两者的界面粘结强度下降。不过，即便温度超过200℃时，这类零部件的ILSS 保持率仍然接近40%，远超一般的复合材料产品。

将连续碳纤维增强热塑性零部件放置于高低温多次循环后，发现其ILSS的下降有一定规律。在高温条件下，聚合物链段充分伸展，温度骤降使聚合物链段急速收缩，会在材料内部产生较低的热应力，尤其是在纤维与树脂的界面处较为明显。因此，随着高低温循环次数的增加，连续碳纤维增强热塑性零部件的ILSS会有所下降，但是在循环次数达到一定值时，ILSS的这种下降幅度会逐渐趋于平缓。

受热塑性树脂与碳纤维之间热膨胀系数差异及热应力的影响，连续碳纤维增强热塑性零部件被多次冻融循环后，其ILSS的下降情况与高低温循环实验结果类似。需要注意的是，浸泡过程中吸收的水分经冷冻后体积膨胀，会撑开其所占据的区域，加剧树脂与纤维之间粘结性能和界面强度的下降，这是连续碳纤维热塑性零部件在设计时需要考虑的一个方面。

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