航空級復(fù)合材料在飛機制造中至關(guān)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(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的需求。特別是熱塑性復(fù)合材料，雖具備優(yōu)異的可焊接性、耐化學(xué)性與損傷容限，卻因結(jié)晶性導(dǎo)致的加工窗口狹窄、設(shè)備成本高昂等問題，在商業(yè)化高速生產(chǎn)方面進展緩慢。

近日，得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Joseph G. Kirchho?博士和加州大學(xué)圣迭戈分校Mehran Tehrani教授合作開發(fā)出一項名為“OATMEAL”（Out-of-Autoclave Amorphous/Crystalline Thermoplastic Materials for Energy-Efficient Aerospace-Grade Laminates）的新技術(shù)取得突破。該技術(shù)采用獨特的預(yù)浸料結(jié)構(gòu)，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(xiàn)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(yīng)力，還提升了材料的耐化學(xué)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(tǒng)方法快五倍以上，能耗降低約75%，且能獲得符合航空質(zhì)量要求的部件，為實現(xiàn)高速度、大規(guī)模航空結(jié)構(gòu)制造邁出關(guān)鍵一步。相關(guān)論文以“Sub-Melt Consolidation of Aerospace-Grade Thermoplastic Composites for High-Rate Processing”為題，發(fā)表在Advanced Materials上。

研究通過一系列實驗揭示了OATMEAL技術(shù)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(yù)浸料在高溫下愈合，隨后在PEEK熔點以下、PEI玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上的“金發(fā)姑娘”區(qū)間進行加工。關(guān)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(xiàn)層間固結(jié)?；瘜W(xué)表征結(jié)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(xué)圖譜分析，可以清晰看到，未經(jīng)燒蝕的“混合”層壓板層間存在20-30微米厚的純PEI區(qū)，而經(jīng)過激光燒蝕的OATMEAL樣品層間則顯示為PEEK-PEI混合區(qū)，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(qū)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(jié)晶預(yù)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(qū)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(jié)實現(xiàn)與冷卻速率無關(guān)的工藝（d）。 

圖2： （a）純PEI與PEEK的中紅外FT?IR光譜，突出用于區(qū)分兩者的特征峰；（b）拋光層壓板截面光學(xué)顯微圖像，顯示界面區(qū)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(qū)域的相應(yīng)吸收光譜。 

材料的熱性能與結(jié)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(jié)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(jié)晶性。OATMEAL層壓板的DSC曲線中PEI的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度向低溫移動，這與化學(xué)圖譜中觀察到的PEI含量減少、混合增加的現(xiàn)象一致。此外，OATMEAL層壓板出現(xiàn)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(guān)。

圖3： （a）代表性DSC加熱曲線，顯示PEI玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的移動以及在混合和OATMEAL層壓板中出現(xiàn)的雙峰和三峰熔融行為；（b）各體系計算的結(jié)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?qū)訅喊澹ɑ旌吓cOATMEAL）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(xué)顯微圖像分析定量的纖維體積分數(shù)。 

力學(xué)性能測試證實了OATMEAL的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。短梁剪切強度（SBS）測試（圖3c,d）表明，在300°C固結(jié)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(jié)）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(qū)厚度減至5-10微米，提高了纖維體積分數(shù)，并緩解了因熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的殘余應(yīng)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(yōu)。

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(chǎn)潛力，研究進行了快速冷卻的真空袋烘箱工藝試驗（圖5）。結(jié)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(tǒng)熱壓罐工藝SBS強度，而“混合”層壓板性能則驟降60%?；诖诉B續(xù)流生產(chǎn)工藝模型預(yù)測，OATMEAL技術(shù)可使生產(chǎn)效率提升五倍。同時，加工溫度從380°C降至300°C，結(jié)合更小的設(shè)備熱質(zhì)量與消除重復(fù)熱循環(huán)，可帶來約75%的能耗節(jié)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(jié)晶度，但OATMEAL在快速冷卻后仍保持優(yōu)異的SBS強度；（c）采用進出穿梭和空氣冷卻的OATMEAL連續(xù)VBO烘箱理論生產(chǎn)率，展示了高達5倍的產(chǎn)能提升。

綜上所述，OATMEAL技術(shù)通過引入并精確調(diào)控非晶/結(jié)晶聚合物混合界面，成功實現(xiàn)了高性能熱塑性復(fù)合材料的亞熔融固結(jié)。該技術(shù)在顯著降低加工溫度與能耗的同時，大幅提升了生產(chǎn)速率，并保持了優(yōu)異的層間力學(xué)性能，為滿足未來航空工業(yè)對高速率、大規(guī)模、可持續(xù)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(shù)集成到自動纖維鋪放等原位固結(jié)平臺、優(yōu)化工藝參數(shù)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(fā)姑娘”區(qū)間，并進行全面的疲勞與環(huán)境耐久性測試，以進一步推動其工程化應(yīng)用。

來源：高分子科學(xué)前沿