航空級復合材料在飛機制造中至關重要，但其加工過程長期以來受限于高能耗與長周期，難以滿足未來航空業大規模生產的需求。特別是熱塑性復合材料，雖具備優異的可焊接性、耐化學性與損傷容限，卻因結晶性導致的加工窗口狹窄、設備成本高昂等問題，在商業化高速生產方面進展緩慢。

近日，得克薩斯大學奧斯汀分校Joseph G. Kirchho?博士和加州大學圣迭戈分校Mehran Tehrani教授合作開發出一項名為“OATMEAL”（Out-of-Autoclave Amorphous/Crystalline Thermoplastic Materials for Energy-Efficient Aerospace-Grade Laminates）的新技術取得突破。該技術采用獨特的預浸料結構，將慢冷碳纖維增強聚醚醚酮（PEEK）帶材包裹在薄層非晶聚醚酰亞胺（PEI）中。PEI與PEEK相容，使其能在低于PEEK熔點的溫度下實現界面愈合，從而將加工溫度降低80°C。通過激光燒蝕減薄PEI層，不僅減少了殘余應力，還提升了材料的耐化學性。采用僅需真空袋的烘箱工藝，OATMEAL層壓板的加工速度比傳統方法快五倍以上，能耗降低約75%，且能獲得符合航空質量要求的部件，為實現高速度、大規模航空結構制造邁出關鍵一步。相關論文以“Sub-Melt Consolidation of Aerospace-Grade Thermoplastic Composites for High-Rate Processing”為題，發表在Advanced Materials上。

研究通過一系列實驗揭示了OATMEAL技術的機理與性能。圖1示意了完整的工藝流程：首先將PEI膜與CF/PEEK預浸料在高溫下愈合，隨后在PEEK熔點以下、PEI玻璃化轉變溫度以上的“金發姑娘”區間進行加工。關鍵步驟是利用激光燒蝕去除表面的純PEI，留下一個PEEK-PEI混合界面層，從而在亞熔融溫度下實現層間固結。化學表征結果（圖2）直觀展示了激光燒蝕的效果。通過傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）對拋光截面進行化學圖譜分析，可以清晰看到，未經燒蝕的“混合”層壓板層間存在20-30微米厚的純PEI區，而經過激光燒蝕的OATMEAL樣品層間則顯示為PEEK-PEI混合區，樹脂含量顯著降低。原子力顯微鏡紅外光譜（AFM-IR）的納米尺度圖譜進一步證實，在愈合界面處存在約40微米寬的漸變混合區域，表明兩種聚合物已充分互擴散。

圖1： 概述將無定形聚合物（PEI）與半結晶預浸料（CF/PEEK）在慢速冷卻前進行愈合的過程（a）；帶有PEI包覆層的“適宜區間”加工窗口（b）；PEI表面的激光燒蝕，留下PEEK?PEI混合層（c）；以及低于熔點的固結實現與冷卻速率無關的工藝（d）。 

圖2： （a）純PEI與PEEK的中紅外FT?IR光譜，突出用于區分兩者的特征峰；（b）拋光層壓板截面光學顯微圖像，顯示界面區域；（c）特征PEI與PEEK峰間吸收比的空間FT?IR映射；（d）愈合PEI?PEEK薄膜的AFM?IR納米尺度映射；（e）0°/90°鋪層方向的OATMEAL界面AFM?IR映射；（f）愈合薄膜跨越40 μm混合區域的相應吸收光譜。 

材料的熱性能與結晶行為分析（圖3）提供了更多洞見。差示掃描量熱法（DSC）顯示，所有層壓板總體結晶度相近，證明在300°C的亞熔融溫度下加工成功保留了PEEK的結晶性。OATMEAL層壓板的DSC曲線中PEI的玻璃化轉變溫度向低溫移動，這與化學圖譜中觀察到的PEI含量減少、混合增加的現象一致。此外，OATMEAL層壓板出現了獨特的三重熔融峰，這可能與加工過程中PEI的分布與排斥行為有關。

圖3： （a）代表性DSC加熱曲線，顯示PEI玻璃化轉變溫度的移動以及在混合和OATMEAL層壓板中出現的雙峰和三峰熔融行為；（b）各體系計算的結晶度百分比（六個試樣的平均值）；（c）在300°C下固化30分鐘的準各向同性與單向層壓板（混合與OATMEAL）與在380°C下處理的CF/PEEK參考件的短梁剪切強度對比；（d）通過五個樣品中間鋪層附近截面光學顯微圖像分析定量的纖維體積分數。 

力學性能測試證實了OATMEAL的結構優勢。短梁剪切強度（SBS）測試（圖3c,d）表明，在300°C固結的準各向同性與單向OATMEAL層壓板，其層間剪切強度分別達到了基準CF/PEEK層壓板（在380°C固結）的77%和87%，遠超未燒蝕的“混合”層壓板。這歸因于激光燒蝕將層間富樹脂區厚度減至5-10微米，提高了纖維體積分數，并緩解了因熱膨脹系數不匹配產生的殘余應力。對失效斷口的掃描電鏡觀察（圖4）進一步證實，OATMEAL的失效模式更接近于基準CF/PEEK，裂紋在層間擴展而非局限于單一的厚樹脂層，表明其層間完整性更優。

圖4： SBS樣本失效界面的剖視SEM成像，顯示在燒蝕純PEI后失效模式向CF/PEEK失效模式收斂。 

為驗證其高速生產潛力，研究進行了快速冷卻的真空袋烘箱工藝試驗（圖5）。結果表明，即使在約45°C/min的快速冷卻和較低壓力下，OATMEAL層壓板仍能保持85%以上的傳統熱壓罐工藝SBS強度，而“混合”層壓板性能則驟降60%。基于此連續流生產工藝模型預測，OATMEAL技術可使生產效率提升五倍。同時，加工溫度從380°C降至300°C，結合更小的設備熱質量與消除重復熱循環，可帶來約75%的能耗節約。

圖5： （a）詳細說明在冷卻過程中高壓釜和VBO烘箱加工條件的表格，突出降低的加工溫度和增加的冷卻速率；（b）兩種層壓板均保持高結晶度，但OATMEAL在快速冷卻后仍保持優異的SBS強度；（c）采用進出穿梭和空氣冷卻的OATMEAL連續VBO烘箱理論生產率，展示了高達5倍的產能提升。

綜上所述，OATMEAL技術通過引入并精確調控非晶/結晶聚合物混合界面，成功實現了高性能熱塑性復合材料的亞熔融固結。該技術在顯著降低加工溫度與能耗的同時，大幅提升了生產速率，并保持了優異的層間力學性能，為滿足未來航空工業對高速率、大規模、可持續制造的需求提供了一條切實可行的新路徑。未來研究將聚焦于將該技術集成到自動纖維鋪放等原位固結平臺、優化工藝參數以精確控制互擴散深度、探索適用于更高熔點聚合物的“金發姑娘”區間，并進行全面的疲勞與環境耐久性測試，以進一步推動其工程化應用。

來源：高分子科學前沿