连续碳纤维织物增强PEEK热塑性复合材料检测方法研究

王二平 谭宗尚 陆士强 刘哲

摘 要 连续碳纤维增强PEEK复合材料作为一种典型的热塑性复合材料，国内无论从基础研究、生产、加工等方面，均处于研发验证阶段。本文借助外观检测、显微分析、无损检测、层间性能等方式考察了连续碳纤维织物增强PEEK复合材料检测的可行性。多种检测手段并用，相互补充，确保制作的热塑性复合材料质量可控。使用的各种检测方法可供业界借鉴参考。

关键词 连续CF/PEEK；热塑性复合材料；LF-CF/PEEK； PEEK；无损检测

Research on Testing Methods for Continuous Carbon Fiber

Fabric Reinforced PEEK Thermoplastic Composite Materials

WANG Erping¹， TAN Zongshang²， LU Shiqiang²，LIU Zhe²

（1.Changzhou Junhang High Performance Composite Materials Co.，Ltd.，Changzhou 213164;

2.Jiangsu Junhua High Performance Speciality Engineering Plastics （PEEK）

Products Co.，Ltd.，Changzhou 213164）

ABSTRACT Continuous carbon fiber reinforced PEEK composite material， as a typical thermoplastic composite material， is currently in the research and development verification stage in China， regardless of basic research， production， processing， and other aspects. This article investigates the feasibility of testing continuous carbon fiber fabric reinforced PEEK composite materials through methods such as appearance inspection， microscopic analysis， non-destructive testing， and interlayer performance.Multiple testing methods are used together and complement each other to ensure the controllable quality of the thermoplastic composite material produced. The various detection methods used can provide reference for industry colleagues.

KEYWORDS continuous CF/PEEK; thermoplastic composite materials; LF-CF/PEEK;PEEK;NDT

通讯作者：王二平，女，硕士，副高。研究方向为连续碳纤维增强PEEK热塑性复合材料。E-mail：419544551@qq.com

1 引言

连续碳纤维增强PEEK（简称连续CF/PEEK）热塑性复合材料，因其耐高温、耐湿热且尺寸稳定性好、韧性好、耐疲劳性优异、可回收、透X光、良好的生物相容性等优势，部分取代传统连续碳纤维增强热固性树脂复合材料，应用于航空航天、军工、医疗、高端机械密封等高端领域^［1-4］。传统的碳纤维表面上浆剂主成分为环氧树脂，与PEEK树脂并不兼容。由于PEEK粘度高，熔融温度高，对碳纤维浸润性差，如何提高纤维和树脂界面的层间强度，进而提高复合材料的综合性能，成为业界关注和攻克的焦点^［5-8］。另外，PEEK树脂作为一种典型的半结晶塑料，随着生产加工工艺的不同，结晶度不同，与碳纤维结合时，无法像纤维增强热固性树脂一样形成稳定的复合材料结构。因此，传统的复合材料检测方法在连续CF/PEEK复合材料检测方面未必可行。

本文结合江苏君华特种工程塑料制品有限公司和常州君航高性能复合材料有限公司的研发、生产和加工实践经验，借鉴热固性复合材料检测经验，从外观检测、显微分析、无损检测、层间性能等方面对连续碳纤维织物增强PEEK（简称LF-CF/PEEK）复合材料检测结果进行详细描述。希望为热塑性复合材料行业提供部分技术支撑和参考^［9-10］。

2 试验

2.1 试验材料

LF-CF/PEEK代表连续碳纤维织物增强PEEK复合材料：公司采用高温高压制作而成。

2.2 试验采用设备和试样

视频显微镜：苏州欧米特光电科技有限公司OMT-1960HC系列；

金相显微镜：江苏荼明智能科技有限公司，CDM-806系列；

超声C扫水浸设备：上海冠域检测科技有限公司TS-2000系列和北京嘉盛智检科技有限公司UIS-0602系列；

超声B扫（相共振设备）：奥林巴斯OMNISCAN SX系列；

射线分析：上海冠域檢测科技有限公司UNIDR2530系列；

万能试验机：美特斯MTS-50系列。

3 检测结果与分析

3.1 LF-CF/PEEK外观检测考察

首先借助LF-CF/PEEK复合材料的外观效果初步判定树脂浸润的效果。浸润完好的复合材料产品外观颜色基本呈现均一变化，没有色差。在厚度层间方向，会出现交错有致的多边环形纹理结构。外检检测结果如图1所示。

从图1可以看出，不同浸润状态的复合材料，从表观和侧面会显示不同的状态。由图1（a）可知，复合材料表面局部发白，局部发暗发黑，没有光泽，另外，图1（c）可知，层间结合部位，明显存在树脂局部富集，或者沿着纤维铺放，没有呈现线性分布。图1（b）和图1（d）碳纤维的编织纹理结构清晰可见。由此可以初步得出，图1（a）和图1（c）复合材料存在明显的树脂浸润不良现象，图1（b）和图1（d）树脂浸润正常。

3.2 LF-CF/PEEK加工端面金相显微分析

对3.1中板材Ⅱ取样进行金相显微分析，对其端面进行处理加工。按照GB/T 3365-2008《碳纤维增强塑料空隙率含量和纤维体积含量试验方法》，先借助180目水磨砂纸粗磨，再借用1500目水磨砂纸细磨，制备金相显微测试样片。金相显微镜下LF-CF/PEEK复合材料端面的检测状态如图2所示。

从图2可以看出，碳纤维基本按照一个方向延伸，没有扭曲现象，树脂基本均匀分布在纤维丝束表面。但在纤维编织节点处，明显存在PEEK树脂富集。对比金相显微镜下呈现黄色系的碳纤维来说，PEEK树脂的颜色呈现褐色或者深褐色系。呈现黑色系的区域代表该区域端面和其他端面不在齐焦面上，很可能存在孔隙。另外，黑色区域主体集中在编织节点附近，该区域纤维聚集，PEEK熔体粘度高，流动性差，借助高温高压下流动的冲击力不足以让所有纤维丝束展开到无节点约束的状态。因此，编织节点是树脂浸润最困难的部位，也是容易出现孔隙的部位。通过类似黑色颜色抓取，核算面积，可以得到一般浸润后的孔隙率在0.06%～2%之间，满足航空行业对复合材料孔隙率要求。

因为样品处理的效果以及平面度等级将直接影响到图像的采集清晰程度，进而影响到金相显微镜分析结果。因此，采用金相显微镜进行分析，样品的处理及其重要。

3.3 LF-CF/PEEK 超声B扫无损检测

从3.2可知，虽然LF-CF/PEEK复合材料只有碳纤维和PEEK两种材料复合而成，但其材料内部不同区域PEEK树脂含量分布不同，无法形成均质结构。针对传统应用于均质材料检测的设备无法在热塑性复合材料产品上正常应用。适用于热固性复合材料的检测设备，也存在一定的局限。针对3.1板材Ⅱ借助超声B扫即相共振的检测结果如图3所示。

由图3可知，不同部位检测结果并不相同。图3（a）检测图谱相对正常，因为板材边缘PEEK树脂相对比较富集，相对容易形成类均质结构。板材内部，检测都显示表层存在一定的杂波干扰，部分波可以穿透，但是衰减严重，说明板材内部对波吸收比较严重。由此可知，采用B扫检测，所选用的探头频率和设置参数不当，需要进一步调整探头参数，进行验证。

3.4 LF-CF/PEEK C扫无损检测

采用GJB1038.1A《纤维增强复合材料无损检测方法》水浸式脉冲反射法进行复合材料检测，相关检测结果如图4所示。

图4（a）和图4（b）采用1MHz的探头进行检测；图4（c）和图4（d）采用5MHz的探头进行检测。图4（a）借助3.1初步评估板材一端部存在开裂的状态，其他三块板借助3.1初步检测评估正常的板材。由右图4超声水浸效果，可以清晰看到板材内部的结合效果。图4（a）中红色，黄色，白色为复合材料严重未贴合区域，通过检测曲线和图像可以了解板材缺陷的具体部位；图4（b）检测结果和初步评估相同；图4（c）～图4（d）超声检测内部存在少量微孔，因为5MHz检测频率高，灵敏度高，微小缺陷即可以显示。

使用同样的检测方法，对由3.1中板材Ⅰ复合材料做成的具体制品进行检测。已知制品在加工螺纹附近，存在微裂纹。检测结果如图5所示。

由图5可知，检测曲线结果不理想。针对LF-CF/PEEK材料加工的异型制品，由于超声波的反射受声波和纤维方向的夹角限制，平行和垂直于LF-CF/PEEK的超声衰减与声速有很大差别。在声速传播过程中，居于制品中心的纤维和靠近制品边缘的纤维也不相同。在超声测试阶段发现，垂直于纤维的声波衰减更大，沿该方向的声波声速更低。由此可知，针对异型复合材料制品检测，采用普通的超声C扫水浸不太适合。

3.5 LF-CF/PEEK射线检测

将3.4中无法采用超声检测的复合材料制品，借助射线进行检测。检测结果如图6所示。

通过合适的射线检测方案，可以检测出这种材料的内部未熔合等缺陷。经检测，发现红色标记处有一处未熔合缺陷。

3.6 LF-CF/PEEK层间性能检测

为进一步表明PEEK树脂对碳纤维的浸润效果，对3.4中涉及复合材料板材进行弯曲性能和短梁强度检测。分别借鉴ASTM D7264《聚合物基复合材料弯曲性能标准试验方法》和ASTM D2344《聚合物基复合材料及其层压材料短梁强度的标准试验方法》标准进行制样测试。针对厚板弯曲性能的样条尺寸，长度×宽度×厚度按照120mm×13mm×4mm，采用机加工制作，薄板弯曲性能样条尺寸长度和宽度维持不变，厚度按照实薄板的厚度；针对厚板短梁强度的样条尺寸，长度×宽度×厚度按照4mm×8mm×24mm，采用机加工制作；薄板弯曲性能样条尺寸长度维持不变，宽度×厚度按照2：1比例准备。相关测试数据如表1所示。

从表1可看出，板材Ⅰ的弯曲强度、弯曲模量和短梁强度均低于板材Ⅱ的测试结果，因为板材Ⅰ树脂浸润纤维效果不理想，在外力作用下，纤维与基体的界面应力传递效果较浸润理想状态减低很多，最終在比较低的作用力下即发生失效破坏。

相对板材Ⅱ的检测结果，板材Ⅲ的检测结果都有所提高，数据增加10%左右。一方面使用复材厚板加工成测试样条，样条表面的部分纤维因为加工由连续变成不连续状态，本身承载力减小；一方面，机加阶段，因为刀具选型和机加的参数不同，对样条本身也会造成一定的损伤；另一方面，厚板相对薄板，板材越厚，产生孔隙等不良几率增加。多种原因下，按照同样的检测标准，厚板的检测性能一般都会低于相应薄板的检测性能。

4 结语

由上述分析可知，针对连续CF/PEEK复合材料存在形式不同，采用的检测方式也有不同：

（1）借助目视检测复合材料外观，借助视频显微镜检测层间状态，可以初步评估复合材料的结合效果；

（2）结合视频显微镜检测复合材料加工端面，借助孔隙率检测，可以进一步评估复合材料层间结合效果；

（3）采用超声无损检测，可以对LF-CF/PEEK复合材料板材进行检测，鉴别其存在的缺陷及相对位置，但需要配置合适的探头种类及其检测参数，否则未必可以达到预期效果；

（4）针对使用LF-CF/PEEK复合材料加工的制品，因制品不同，普通的超声水浸C扫未必合适，需要选用射线检测方式；

（5）借助弯曲性能和短梁强度检测可以评估复合材料PEEK树脂浸润碳纤维的效果，形成量化的数据指标。

因为LF-CF/PEEK制品形式很多，为准确判定产品质量，及时发现制品缺陷，确保制品可控，需要借鉴多种检测方式，共同参考判定。

参 考 文 献

［1］王二平，朱姝，谭宗尚，等.CF/PEEK复合材料的性能研究［J］. 纤维复合材料，2020，37（4）：35～38．

［2］罗云烽， 姚佳楠.高性能热塑性复合材料在民用航空领域中的应用［J］.航空制造技术， 2021， 64（16）：93～102.

［3］周冰洁，张代军，张英杰，等.高性能热塑性复合材料在航空发动机短舱上的应用［J］．航空制造技术，2020，63（7）：86～91．

［4］从飞，孙祯杰，胡挑，等．一种股骨髓内钉长钉远端可调瞄准器：中国，ZL202022412201.6［P］．2020-10-23．

［5］王二平，谭宗尚，陆士强，等.连续碳纤维织物增强PEEK热塑性复合材料（LF-CF/PEEK）匹配性研究［J］.纤维复合材料，2022，39（01），49～53．

［6］魏佳顺，潘蕾，陶杰．表面处理碳纤维湿润性及连续纤维增强PEEK复合材料拉伸性能的影响［J］．纤维复合材料，2010，36（4）：36～40．

［7］刘文博，王荣国，张舒，等．一种碳纤维用热塑性上浆剂及其制备和使用方法：中国，201210184017.8 ［P］．2013-12-11．

［8］張照，曹硕，朱姝，等．纺织结构碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料的制备及界面改性［J］．高分子材料科学与工程，2017，33（10）：141～148．

［9］蒋荟，杨晓华．航空复合材料结构无损检测技术［J］．全国第五届航空航天装备失效分析研讨会，2006，362～367．

［10］周正干，孙广开，李洋．先进无损检测技术在复合材料缺陷检测中的应用［J］．航空制造技术，2016，（4）28～35．