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碳纤维增强热塑性塑料是一种轻量、高强、耐腐蚀的材料，开始被飞机和汽车行业用来替代金属材料，因此需要对这种材料本身及其连接技术进行更深入的研究。
纤维- 基材界面性能至关重要“ 对于这种材料来说， 纤维- 基材间良好的界面特性是获得良好的力学性能及耐久性能的关键。”Paola Carnevale 说道。她在荷兰代尔夫特技术大学航空结构与材料系结构完整性与复合材料团队做研究期间，撰写了论文《热塑性复合材料中的纤维- 基体界面》，并凭此获得了博士学位。这是一种中观层面的研究方法。“在公共领域，关于碳纤维与高性能热塑性基体之间粘着力的研究是非常有限的。大多数公开研究都集中于热固性复合材料和热塑性工程复合材料的玻璃纤维浸润剂。”
Carnevale比较了分别由东丽Toray和Ten Cate所开发的碳纤维增强的复合材料样品的性能，东丽Toray 采用的是原始的碳纤维表面处理和浸润技术，Ten Cate采用的是一种特殊的表面处理技术，该碳纤维主要用于 PPS（聚苯硫醚）的增强。Ten Cate没有透露其所采用的碳纤维热处理技术的细节。但Carnevale认为，该技术去除了部分浸润剂，从而增大了纤维的表面积。
采用经过特殊处理的纤维所改性的样品具有优异得多的机械性能。“这一改进非常明显，特别是在某些型号中。”Carnevale 说。“正如所料，纤维-基材间的界面特性对于复合材料的力学性能有着很大的影响。”
样品是否有哪些性能是不受纤维-基材界面影响的？
“我和我的同事Shafqat Rasool 一起，还在纤维方向进行了静态拉伸试验。”Carnevale 说道,“与我们预料的一样，纤维- 基材界面对这些性能的影响不是很大。然而，在测试过程中，我们发现损伤方式有着显著的差异。当复合材料的界面结合力较差时，集中在编织交叉点处的应力会使得横向纤维束从树脂上过早剥离，最终导致分层。在采用经过处理的Ten Cate 纤维的复合材料中，损伤只发生在一个特定的位置，可能从基材破裂开始，最后导致样品的脆性断裂。”
其他纤维- 基材组合
Ten Cate针对PPS所采用的处理方法适用于其他类型的基材吗？“我认为它对于其他热塑性基体材料同样有价值。但是，首先要对每种新的材料组合进行实验研究。理想情况下，还可以针对特定的应用，定制纤维- 基材界面。从定义上来讲，强大的粘结力不一定总是好事。如果粘结力过于强大，可能会对性能产生负面影响，例如疲劳性能或韧性。因此，根据需要，你可以玩转界面区域，以获得不同的特性。”
关于碳纤维增强热固性塑料的纤维–基体界面的知识积累已经很多。但它们不能直接应用到碳纤维增强热塑性塑料上。热固性复合材料中通常含有共价化学键，是主要的粘附机制，而在热塑性复合材料中，主要的粘附机制是机械联锁。 （图片）
碳纤维增强的复合材料的面内剪切强度。AR：未处理的碳纤维增强的；TT：经Ten Cate 处理的碳纤维增强的；TTR：经Ten Cate 处理的且涂覆有脱模剂的碳纤维（以降低粘着力）。 供应商不会分享他们在表面处理和浸润剂方面的知识积累。“我认为，他们的表面处理和浸润技术基本上是在反复的实验中发展起来的。”Carnevale 补充说，“纤维- 基材界面从各个层面来说都是一个非常复杂的体系。它涉及化学、物理、纤维形态学和拓扑学。为了真正理解它，就要从所有这些不同的角度来研究它。从机械测试的角度出发，可以将机械测试与损伤和局部应变发展、失效模式、耐久性等方面的研究结合起来。”
深入了解界面
为了使碳纤维的表面处理技术满足特定应用对热塑性复合材料性能的要求，有必要从基础知识层面了解一下纤维和基材之间的粘结机理。你不仅想了解不同纤维- 基材组合的哪些性质取决于表面处理，也会想知道为什么它具有这些特性。
“如果想要得到性能更好的热塑性复合材料，我们必须知道界面上究竟发生了什么。”Carnevale 说道，“热塑性基材的预处理和浸润技术的发展，需要深入研究纤维- 基材的粘附机理以及现有系统的性能。这也是我进行研究的原因。”
据Carnevale 介绍，合作上的瓶颈正阻碍着这方面的研究和发展：“例如，化学家和机械工程师的表达方式不同，因此，在讨论纤维- 基材的界面话题时，他们之间存在着沟通问题。此外，微机械测试方法（至今未发现工业适用性）的大力发展，以及复合材料筛选方法（被工业界广泛应用）对于界面现象基本理解的缺乏，表明学术界和工业界对纤维- 基材界面领域关注时间加起来不到几十年。
她的博士学位论文可以在该大学的知识库下载（http://repository.tudelft.nl/）。
碳纤维增强热塑性塑料的焊接
随着越来越多的复合材料被应用于航空工业，不仅需要对这种材料有更好的理解，它们的应用方式也需要扩展。为此，研究人员正在开发新的连接技术。
像空客A340 和A380 机翼前缘这样的大型结构，已经采用玻璃纤维增强热塑性塑料来制造，并使用电阻焊技术焊接在一起。碳纤维增强的聚合物还被用于生产小型部件，并使用螺栓连接到主结构上。
飞机制造商开始在主结构上采用越来越多的碳纤维，因此需要新的焊接技术。
感应焊接
“焊接玻纤增强聚合物时，需要粘结的两个部件之间要加入一张金属网。”Irene Fernandez-Villegas 解释道。她是代尔夫特科技大学（Technical University of Delft）航空航天结构完整性和复合材料研究团队的一名助理教授。“然后给金属网通上电流，以加热金属网和复合材料，两个部件就焊接在一起了。但对于碳纤维增强部件，碳纤维的导电性是一个问题：如果金属网与碳纤维接触，金属网的热量就会流失，因为电流会穿过碳纤维。而把金属网留在部件内部也不是一个好办法。”（图片）
应变场失效，装卸后的失效样本的前部和侧面（经Ten Cate 处理过的纤维增强的PPS）：纤维束的纬向损伤导致脆性破坏。 金属网会降低部件的强度吗?“我们仍在研究这一问题。”Fernandez-Villegas 答到，“到目前为止，我还没有得到任何表明金属网会降低界面强度的结果。但重量可能是一个问题。这是一种比较复杂的界面，其性能表现难以预测。”
目前，碳纤维增强复合材料使用的是另一种焊接技术：感应焊接。磁场会在碳纤维内部产生电流。“Fokker 正在使用这一技术焊接Gulfstream G650 的舵和升降机。”Fernandez-Villegas 说。
对于感应焊接，增强材料的种类会大大影响焊接的效果。“在感应焊接中，使用碳纤维来产生热量，因此，如果增强材料从织物转换为单向交错层，将会改变热量的生成速率。”Fernandez-Villegas 解释道，“织物的感应加热更容易。但当纤维处于不同方向时，也有可能加热单向纤维。”
因此，这所大学正在研发新的复合材料焊接技术。
超声波焊接
“焊接技术实际上源于非增强塑料行业。”Fernandez-Villegas 说道，“我们只是试着将它们用于复合材料。”这所大学正与Fokker 合作，将超声波焊接技术用于热塑性复合材料航空航天结构。（图片）
1.2% 应变条件下，纤维增强PPS 的纵向应变场失效前的最后图像：左侧：经Ten Cate 处理过的纤维增强的PPS；右：由未处理的纤维增强的PPS。（a= 树脂富余地区，b= 编织交叉点）。 “超声波焊接的主要优势是它的焊接速度非常快，比目前在用的技术都快。它可以用于玻纤和碳纤增强的热塑性塑料，而且非常适合点焊。”Fernandez-Villegas 说，“我们现在正处于TAPAS项目（http://www.tapasproject.nl/en/）的第二条阶段，尝试扩大超声波焊接的应用规模。我们知道如何在样品上进行超声波焊接，但尚未将其应用于真正的部件上。最简单的应用之一是焊接支架和夹具：飞机中大量采用的批量生产的小部件。采用超声波焊接技术，你可以在5 秒钟之内完成焊接，而且效果非常好。”
当然，你不需要金属网，增强材料也不会影响焊接效果。“我们面临的挑战之一是能否在飞机结构中采用点焊。”Fernandez-Villegas 说。
“说到焊接，我们通常会想到连续的接缝。但是，当我们用螺栓方式将结构连接在一起时，我们也只是在特定的位置把部件连接了起来，而且必须钻孔，这就大大降削弱了结构的强度。所以，我们现在提出了点接（spot-joining）的概念，不需要钻孔。我们也在研究能否采用超声波焊接产生连续的接缝。这在非增强热塑性塑料行业是一种相当快速的连接技术，但我们还不知道怎样将它用于复合材料。所以，这一技术的真正应用还很遥远。”（图片）
应变场失效，装卸后的失效样本的前部和侧面（由未处理的纤维增强的PPS）：编织交叉点的损伤导致大面积的分层失效。 感应焊接很容易产生连续的接缝，因为不需要接触部件就可以产生热量。因此，焊接机器手的感应工具更容易四处移动。当然也不需要辊筒或工具来施加压力，但线圈本身可以根据需要随意移动，这使得感应焊接具有很高的自由度，可以连续焊接形状复杂的部件。（图片）
超声波焊接已被成功用于工业领域。（照片由荷兰Hewitex 公司提供） 额外的树脂
将非增强塑料行业已成功应用多年的焊接技术调整后用于增强塑料，听起来很简单，然而这绝非易事。
“采用超声波焊接技术连接复合材料时，需要在界面上添加一些额外的树脂，确保能够进行加热。”Fernandez-Villegas 解释道，“你要使用与复合材料相同的基材，但是你必须对需要连接的部件的界面进行处理，这样界面才会被加热，而不是别的部位。”
在超声波焊接中，你可以在想要连接的部件上采用超声波振动来加热。起作用的加热机制有好多种，但最重要的是粘弹性加热，这是由塑料分子间的摩擦引起的。变形越多，产生的热量越多。（图片）
热塑性复合材料加强筋与电气安装支架，代尔夫特大学（Delft University）与Fokke 在TAPAS 项目中联合开发的。铆接到复合材料结构的铝架是当前的基线。其他三个是超声波焊接上去的复合材料支架。成本估算表明，可以节约高达30% 的成本。 所以，界面处的变形程度必须超过部件的其余部位。在焊接非增强塑料时，必须在表面增加加强筋以便焊接：这些凸出物的变形程度将超过材料的其余部位。这就确保了热量都集中在界面处。
对于复合材料，原理就是在界面处放置一些非增强热塑性树脂。界面处的变形程度将超过增强过的复合材料，热量就会集中在连接点。
其他新型焊接技术
超声波焊接技术仍在不断发展中，但Fernandez-Villegas 相信， 它将很快被应用于飞机制造行业。对于纤维增强热塑性塑料，还有许多新型焊接技术，例如激光焊接和微波加热。“我看到过微波焊接产生的一些良好效果。”Fernandez-Villegas 说，“这种技术显然又快又容易控制。在焊接玻纤增强部件和碳纤增强部件时，激光焊接似乎是一种理想的选择，因为激光会穿透玻璃纤维，但不会通过碳纤维。”
因此，没有一种技术能够适用于所有的应用领域。不同的制造商可以根据特定的应用场合和材料组合，选用不同的焊接技术。目前，这些技术都在研发中，我们很快就将掌握一系列技术，用来焊接碳纤维增强热塑性塑料。
3/2/2016
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