【原】PEEK/碳纤维带共固化高性能连接接头

1导读

使用粘接工艺的复合材料连接件的制备方式一般分为三类，分别为二次粘接、共粘接和共固化，其中使用共固化技术所得到的产品机械性能更优、成品的翘曲，缺陷等更少。传统的粘接剂一般为环氧树脂基的热固性材料，山东大学的赵国群（通讯作者）课题组，全东（第一作者）发现如果将粘接剂替换为PEEK基碳纤维带，连接的机械性能会大大增加，储存与运输的要求也会降低。其课题组在《Composites Science and Technology》上发表了题为“Co-curing bonding of carbon fibre/epoxy composite joints with excellent structure integrity using carbon fibre/PEEK tapes”的文章，报道了一种新型的粘接剂材料：以热塑性树脂PEEK为基体，加入支撑用的碳纤维，组成PEEK基碳纤维带，该材料在粘接环氧树基碳纤维复合材料时，接头表现出优异的性能。该文主要对由该种材料使用共固化工艺所得到的连接件进行低温和高温下的单搭接剪切(Single-Lap Shear)实验，双悬臂梁(Double Cantilever Beam)实验和末端缺口(End Notched Flexural)实验，发现其单搭接剪切强度，疲劳命，Ⅰ型断裂能和Ⅱ型断裂能均有所增加。

2内容简介

在实验件的制备前，为了最终得到更好的机械性能，该文先用高强度的紫外光对碳纤维/PEEK带的表面进行照射，通过打断碳碳键与碳氢键的方式从而提升表面活性。该文首先分别在22℃与130℃下，对用碳纤维/PEEK带为粘接剂共固化制成的复合材料以及用传统热塑性材料为粘接剂（如环氧树脂胶结剂）共固化制成的复合材料进行单搭接剪切实验与疲劳试验。从图1可以看出用碳纤维/PEEK带为粘接剂共固化制成的复合材料实验件中碳纤维/环氧复合材料与碳纤维/PEEK带结合良好无气泡。

图1 共固化粘接接头的截面显微图像

图2实验结果表明搭接剪切强度(LSS,lap-shear strength)在22℃与130℃下分别提升了47%与68%。疲劳寿命提高到4.39倍。

图2 (a)共固化粘接接头在22℃和130℃下的搭接剪切强度，(b)共固化粘接接头的疲劳寿命

从图3可以看出，PEEK基体出现了大量的塑形变形与失效，正是因为如此接头才有了搭接剪切强度与疲劳寿命的提升。

图3 碳纤维/PEEK带粘接复合材料单搭接接头试件的典型SEM图像，(a) 22℃静态下测试，(b) 130℃静态下测试，(C) 22℃疲劳下测试

接着文中进行了Ⅰ型断裂能的测试，由图4可以看出Ⅰ型断裂能在22℃与130℃下分别提升了70%与182%，并且具有更高的R曲线，说明碳纤维/PEEK带接头具有良好的Ⅰ型断裂性能和热稳定性。

图4 DCB试验结果：(a)载荷-位移曲线；(b)R曲线；(c)共固化粘接接头的Ⅰ型断裂能

由图5可以看出，碳纤维/PEEK带接头在失效时发生了大量的纤维断裂与纤维桥联，由图6可以看出，PEEK基体也发生了大量的塑性变形，这表明其主要断裂机制是碳纤维的分层和桥联以及PEEK基体的大面积损伤。

图5 (a)和(b)：试验过程中碳纤维/PEEK带接头DCB试样的侧视图图像，(c)和(d)：对应的Ⅰ型断口表面照片

图6 在(a) 22℃和(b) 130℃下测试的碳纤维/PEEK带接头的Ⅰ型断裂表面的典型SEM图像

最后文中进行了Ⅱ型断裂能的测试，由图7可以看出Ⅱ型断裂能在22℃与130℃下分别提升了59%与54%。

图7 ENF试验结果：(a)载荷-位移曲线；(b)碳纤维/PEEK带接头的Ⅱ型断裂能

由图8可以看出接头破坏时发生了大量的纤维脱粘和桥联，同时PEEK基体也发生了大量的塑性变形，这表明其主要断裂机制与Ⅰ型断裂相同。

图8 在(a) 22℃和(b) 130℃下测试的碳纤维/PEEK带接头Ⅱ型断裂表面的典型照片和SEM图像

3小结

该研究表明，在使用碳纤维/PEEK带替代传统粘合剂后，接头的搭接剪切强度，疲劳寿命，Ⅰ型断裂能和Ⅱ型断裂能均获得了显著的改善。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%。综上所述，这种结构的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。

原始文献

Dong Quan, Guoqun Zhao, Gennaro Scarselli, René Alderliesten, Co-curing bonding of carbon fibre/epoxy composite joints with excellent structure integrity using carbon fibre/PEEK tapes [J]. Composites Science and Technology, 2022, in press.

稿件整理人：宋璐阳

责任编辑：张鑫