摘要

本研究對比了采用聚醚酰亞胺薄膜層壓法、粉末層壓法制備碳纖維織物復合材料，以及采用不同固含量的聚醚酰亞胺/N-甲基吡咯烷酮溶液浸漬法制備復合材料的結構與力學性能。在10MPa模壓壓力下，薄膜層壓法在碳纖維織物質量分數為70wt.%（最大值）時，可形成缺陷最少、結構最均勻的復合材料。粉末層壓法制備的復合材料中存在一定缺陷，這可能是由聚醚酰亞胺粉末熔體流動速率較低所致。溶液浸漬法制備的復合材料初始力學性能偏低，因此將模壓壓力降至6MPa。優化后，復合材料兼具均勻的結構與優異的力學性能（甚至高于薄膜層壓法試樣），證實了該制備工藝的有效性。

1 引言

聚合物基復合材料的發展歷程，是樹脂基體與增強材料持續創新、協同發展的過程。基于熱固性樹脂的復合材料因剛度高、比強度優異且制備工藝成熟，在航空航天、高端體育裝備等高科技領域構件制造中占據主導地位。然而，其脆性大、易損傷、難以回收復用等缺點，限制了在民用航空、汽車等領域的更廣泛應用。

為此，研發基于高性能熱塑性樹脂的碳纖維增強聚合物復合材料，成為該領域的重要研究方向。與熱固性樹脂相比，熱塑性樹脂具有原料保質期長、強度高、可焊接、可重熔加工等優勢，發展潛力與應用前景廣闊。在高性能熱塑性樹脂中，聚醚酰亞胺（PEI）是研究最為廣泛的基體材料。作為非晶態聚合物，PEI的玻璃化轉變溫度達217℃（可滿足嚴苛的使用要求），同時具備高強度、阻燃性（UL94V-0級）及耐水解穩定性。這些綜合性能使其在民用飛機內飾與支撐結構、電子電器元件等領域可替代傳統材料。

制備高性能碳纖維/聚醚酰亞胺復合材料的核心難點，在于熱塑性基體的熔體黏度高。這與低黏度的熱固性樹脂前驅體不同，后者易于潤濕并浸漬碳纖維束。PEI（及同類樹脂）難以在纖維間實現充分、均勻的分布；浸漬不足會增大復合材料孔隙率，破壞碳纖維排布與張力均勻性，甚至造成纖維損傷。此外，碳纖維與基體間的界面結合變差，形成應力集中，進而劣化力學性能。

針對上述浸漬難題，研究者嘗試采用多種制備工藝。基本思路是將聚合物樹脂以不同物理形態與碳纖維結合，在最終模壓階段實現最佳浸漬效果。目前，碳纖維/PEI體系（如纖維帶、雙軸織物）主要采用三種制備方法，其物理原理與工藝實現方式存在差異：

（1）薄膜層壓法

在工業中應用廣泛，商用復合材料構件多采用該方法制備。將厚度50μm–250μm的熱塑性薄膜（尤其是PEI）與碳纖維織物交替鋪層（疊層法）。模壓時，薄膜層在壓力作用下熔融并沿橫向（面內）流動，填充碳纖維束間的宏觀間隙。該方法工藝簡單，可精確控制基體含量，是應用最廣泛的工藝之一。但復合材料結構很大程度上取決于工藝時間、壓力（多數情況下較高）與溫度；在三維復雜構件中，基體在碳纖維增強層間可能分布不均。

（2）粉末層壓法

旨在促進熔融樹脂向增強層內部滲透。基于流態化原理，將粒徑數十微米的PEI粉末以懸浮態燒結在碳纖維束表面或嵌入束內（也可采用壓延法）。隨后模壓時，粉末顆粒局部熔融并部分滲入碳纖維束內部，使增強相分布更高效、均勻。但粉末粒徑與分布對復合材料結構及力學性能影響顯著。

（3）溶解浸漬法

溶解浸漬法是一種全新且極具潛力的技術路線（如以N-甲基吡咯烷酮（NMP）為溶劑溶解PEI）。其主要優勢是可降低PEI的高黏度，借助毛細效應在室溫下即可使樹脂在碳纖維束間均勻分布，實現與熱固性樹脂相當的預浸漬效果。該方法可在模壓前于碳纖維表面形成均勻的聚合物“涂層”，將復合材料制備的核心目標從勞動密集型的“熔體浸漬”轉變為相對簡便的“溶劑揮發”與“樹脂浸漬織物層燒結”。該方法可最大限度降低孔隙率，優化相界面與層間結構；在制備上述兩種方法難以成型的三維復雜構件時，可通過注射或噴涂溶解樹脂實現均勻浸漬，為高性能碳纖維增強聚合物復合材料的構件制造開辟新路徑。

盡管上述三種方法已得到初步驗證，但在工業化生產中，成本效益與使用性能的平衡仍是關鍵。尤其對于碳纖維/PEI織物復合材料，仍存在知識空白，需基于實驗數據完善制備工藝參數的選擇與優化。尚未解決的問題包括：缺乏樹脂體系對復合材料結構（浸漬程度、孔隙率、界面形貌等）及力學性能（彎曲強度、拉伸強度等）影響的系統研究。

通過分析已有文獻報道的實驗結果，本研究旨在對比薄膜層壓法、粉末層壓法及不同濃度PEI/NMP溶液浸漬法制備的碳纖維織物增強PEI基復合材料的結構與力學性能。本研究的零假設為：采用溶解浸漬法可使復合材料獲得優異的綜合性能。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料

本研究采用以下原料制備復合材料：

（1）TECAPEIPEI薄膜；

（2）粒徑約20μm的SolverPEI粉末；

（3）將上述PEI粉末溶解于NMP（C?H?NO）中作為基體；

增強相采用俄羅斯UMATEX公司生產的ASMC285S斜紋碳纖維織物。

2.2 復合材料制備

（1）薄膜層壓法

將裁剪為70mm×65mm的碳纖維織物與PEI薄膜逐層鋪疊，模壓工藝示意圖（圖1a）所示。

圖1 復合材料制備方法

為使復合材料厚度達到約2mm，依次鋪放6層碳纖維織物與14、21、35層PEI薄膜（分別折疊為2、3、5片）。在鋪層上下表面各覆蓋1層PEI薄膜。模壓前的坯料在模具中的狀態如圖2a所示。

圖2 壓縮燒結制備的逐層堆疊組件的外觀：(a) CF織物與PEI薄膜；(b)CF織物與PEI粉末；(c) 經溶解PEI浸漬的CF織物；(d)成品復合材料。

（2）粉末層壓法

分別取5.8g、11.2g、15.6gPEI粉末，均勻分布在6層碳纖維織物之間（圖1b），以調節基體含量。將PEI粉末均分為7等份，除鋪放在碳纖維織物層間外，在鋪層上下表面也放置粉末以形成表層（圖1b、圖2b）。

（3）溶液浸漬法

將PEI粉末按1g∶10mL溶劑比例加入NMP中，加熱至145℃并持續攪拌至完全溶解。將所得溶液依次浸漬6層厚度為2.3mm的碳纖維織物鋪層（圖2c）。

最終，采用GT-7014-A122型熱壓機（中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司）進行模壓，制備尺寸為70mm×65mm×2mm的復合材料（圖2d），模壓工藝如圖3所示。表1為試樣編號與簡要說明。

圖3 復合材料制備過程中的壓縮燒結

表1 試樣編號與說明

2.3 結構表征

采用Neophot2型光學顯微鏡（OM，德國卡爾蔡司）搭配Canon700D型單反相機觀察試樣截面結構。采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察，使用QuorumTechnologiesEMITECHK450X型設備在試樣表面濺射鍍金膜；采用Apreo2S型掃描電子顯微鏡（美國賽默飛世爾）在加速電壓25kV、束流0.80nA條件下觀察試樣亞表層結構。

3 討論

上述結果有幾個方面值得深入探討。首先，薄膜層壓法在低基體含量（相鄰基體層與增強層厚度相近）下力學性能最優，原因如下：

1.所用PEI薄膜專為復合材料制備設計，熔體流動速率（MFI）匹配，模壓時熔融樹脂逐步浸漬碳纖維織物且不造成損傷，纖維束實現充分浸漬。

2.模壓時熔融樹脂從層間界面逐步鋪展，降低了復合材料內部基體含量，最大限度減少層間及碳纖維織物內部缺陷（分層）。

其次，粉末層壓法試樣厚度在152–154μm范圍內，幾乎不受組分配比影響（圖4）。但該方法制備的所有復合材料均存在分層缺陷，原因是熔融樹脂在碳纖維織物內部流動分布。粉末因尺寸效應比薄膜熔融更快，使增強相被熔融PEI充分浸漬（含纖維束內部）。所有試樣模壓壓力相同，部分碳纖維織物可能受損，導致力學性能劣化。由圖4可見，粉末層壓法試樣厚度收縮率略低于薄膜層壓法，原因是熔融PEI對碳纖維織物浸漬不均，部分樹脂從模具間隙擠出。

圖4 兩種制造方法及不同組分比例下壓縮燒結前后復合材料厚度的變化規律

本研究采用商用PEI粉末，熔體流動速率為9g/10min（340℃/6.6kg）。推測通過優化熔體流動速率、模壓壓力與溫度，可降低復合材料內部缺陷數量。至少在最高碳纖維含量下，粉末層壓法試樣的拉伸模量略高于薄膜層壓法試樣。

溶液浸漬法初始結果較差。碳纖維織物預先被PEI浸漬，模壓時高黏度熔融基體需克服碳纖維束交織阻力，導致纖維損傷；此外，層間基體含量偏低，降低界面結合強度。該結論與試樣模壓前后厚度變化最小（129–132μm，圖4）一致。三種方法模壓壓力相同，高碳纖維含量下溶液浸漬法試樣缺陷增多，是其彎曲與拉伸強度大幅下降的主要原因。

基于上述分析，提出降低溶液浸漬法模壓壓力的優化方案，以減小高黏度PEI熔體對碳纖維織物的損傷，同時降低殘余應力。據此制備PEI/碳纖維配比為36/64的優化試樣，核心工藝參數調整為：模壓壓力降至6MPa。采用相同方法進行表征，應力–應變曲線如圖5a、b所示。

圖5 應力–應變曲線

溶液浸漬法使PEI在碳纖維束間浸潤最充分（圖6a），與薄膜層壓法效果相當（圖6b）。該結果印證了力學性能數據，證實本研究的零假設成立。

圖6 拉伸試驗后試樣斷口掃描電鏡照片

本研究最重要的工程價值，是確定了溶解PEI浸漬碳纖維織物層壓板的最優工藝參數組合，兼具高效與經濟性。研究的創新性在于指出了“溫度–壓力–時間”合理匹配的工藝窗口，通過控制熔融基體實現以下目標：

1.不損傷增強織物；

2.保證高界面結合強度；

3.維持層狀復合材料指定組分配比。

該工藝可在基體質量分數30%–60%的寬范圍內實現。

最后需要強調，溶液浸漬法成本低、模壓比壓要求低，可使基體充分滲入碳纖維束內部、最大限度減少缺陷，在三維復雜構件制造中優勢突出。溶劑揮發后基體使用性能保持穩定，彎曲與拉伸力學性能結果均證實了這一點。

后續研究可開展層間剪切強度測試與疲勞性能測試，組分均勻分布是控制此類復合材料疲勞壽命的關鍵因素之一。

4 結論

1.在10MPa模壓壓力下，薄膜層壓法在碳纖維含量最高時可制備缺陷最少、結構最均勻的復合材料。原因是商用PEI薄膜專為該工藝設計，熔體流動速率可在設定工藝溫度下有效浸漬碳纖維束，在基體含量30wt.%（最低）時獲得最高強度。

2.不建議采用薄膜層壓法制備低碳纖維含量復合材料，過多基體層會形成純樹脂孔洞，顯著降低彎曲模量與強度。

3.粉末層壓法制備的復合材料存在缺陷，可能由PEI粉末熔體流動速率偏低（9g/10min）所致。熔融樹脂在纖維束內部流動時可能造成纖維損傷，一定程度上降低彈性模量與強度。

4.高模壓壓力（約10MPa）下，溶液浸漬法僅推薦用于低碳纖維含量復合材料，可保留較多基體；若通過擠出基體降低復合材料中樹脂含量，會造成碳纖維織物損傷，顯著降低彈性模量與強度。

5.基于前期研究結果，將溶液浸漬法模壓壓力降至6MPa。優化后碳纖維含量64wt.%的復合材料力學性能優異（甚至高于薄膜層壓法），證實了該工藝的有效性及纖維束內部浸漬對復合材料綜合性能的積極作用。

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