1 引言

連續碳纖維增強聚醚醚酮（簡稱連續 CF/PEEK）熱塑性復合材料，因其耐高溫、耐濕熱、尺寸穩定性優良、韌性出色、耐疲勞性卓越、可回收利用、透射X光能力以及良好的生物相容性等多重優勢，正逐漸在航空航天、軍工、醫療、高端機械密封等高端領域中脫穎而出，部分替代了傳統連續碳纖維增強熱固性樹脂復合材料。在我國，連續 CF/PEEK 熱塑性復合材料的發展尚處于基礎研究、生產、加工等全方位的研發驗證階段。傳統碳纖維表面的上漿劑主要成分為環氧樹脂，與 PEEK 樹脂的兼容性并不理想。加之 PEEK 樹脂具有較高的粘度和熔融溫度，對碳纖維的浸潤性較差，如何提高纖維與樹脂界面的層間強度，進而提升復合材料的整體性能，成為行業迫切需要解決的關鍵問題。此外，PEEK 樹脂作為一種典型的半結晶塑料，其結晶度會因生產加工工藝的不同而有所差異，在與碳纖維結合時，難以形成像纖維增強熱固性樹脂那樣的穩定復合材料結構。因此，傳統的復合材料檢測方法可能并不適用于連續 CF/PEEK 復合材料。

本文從外觀檢測、顯微分析、無損檢測、層間性能等多個維度，對連續碳纖維織物增強 PEEK（簡稱 LF-CF/PEEK）復合材料的檢測結果進行了深入分析，旨在探索適用于連續 CF/PEEK 熱塑性復合材料的有效檢測方法。本研究旨在幫助相關企業和研究機構更精確地控制連續 CF/PEEK 熱塑性復合材料的質量，及時發現產品缺陷，確保生產過程的可控性，從而推動該材料在各領域的廣泛應用與深入發展。

2 外觀檢測

通過對 LF -CF/PEEK 復合材料的外觀進行仔細觀察，可以初步判斷樹脂對碳纖維的浸潤效果。當樹脂浸潤完好時，復合材料產品的外觀顏色呈現出均一的變化，無明顯色差。這是因為樹脂均勻地分布在碳纖維周圍，使得光線在材料表面的反射和折射較為一致，從而呈現出均勻的色澤。在厚度層間方向，會出現交錯有致的多邊環形紋理結構，這是由于碳纖維織物在與樹脂復合過程中，纖維的排列和交織方式所形成的獨特紋理。

不同浸潤狀態的復合材料，從表觀上會呈現出明顯不同的狀態。在部分復合材料表面，可能會出現局部發白或局部發暗發黑的現象，且表面無光澤。這表明樹脂在這些區域的浸潤效果不佳，未能充分包裹碳纖維，導致光線在這些部位的反射和散射出現異常，從而影響了材料的外觀色澤和光澤度。

3 加工端面金相顯微分析

在金相顯微鏡下，LF -CF/PEEK 復合材料端面呈現出豐富的微觀結構信息。可以清晰地看到，碳纖維基本按照一個方向延伸，排列整齊，沒有出現扭曲現象。這表明在復合材料的制備過程中，碳纖維在受到外力作用時，能夠保持其原有的取向，為材料提供了良好的強度支撐。樹脂基本均勻分布在纖維絲束表面，這是理想的浸潤狀態。樹脂的均勻分布使得其能夠與碳纖維充分接觸，有效地傳遞應力，從而提高復合材料的整體性能。在纖維編織節點處，明顯存在 PEEK 樹脂富集的情況。這是因為在編織節點處，纖維的密度較大，樹脂在流動過程中更容易在此處聚集。

對比金相顯微鏡下呈現黃色系的碳纖維，PEEK 樹脂的顏色呈現褐色或者深褐色系。在觀察過程中，呈現黑色系的區域代表該區域端面和其他端面不在齊焦面上，經過進一步分析，很可能存在孔隙。這些孔隙的存在會影響復合材料的性能，降低材料的強度和耐久性。通過對黑色區域的觀察和分析，發現其主體集中在編織節點附近。這是由于在編織節點處，纖維聚集，PEEK 熔體粘度高，流動性差，即使在高溫高壓下，借助流動的沖擊力也不足以讓所有纖維絲束展開到無節點約束的狀態。因此，編織節點成為樹脂浸潤最困難的部位，也是容易出現孔隙的部位。通過類似黑色顏色抓取，并核算其面積，可以得到一般浸潤后的孔隙率在 0.06% - 2% 之間。這個孔隙率范圍滿足航空行業對復合材料孔隙率的嚴格要求，表明該復合材料在制備工藝上具有一定的可靠性和穩定性，能夠滿足航空航天等高端領域對材料質量的高標準要求。

4 超聲 B 掃無損檢測

超聲 B 掃是一種利用超聲波在材料內部傳播特性來檢測材料結構的無損檢測技術。其原理是通過超聲探頭向材料發射超聲波，超聲波在材料內部傳播時，遇到不同介質的界面會發生反射和折射。當材料內部存在缺陷或結構不均勻時，超聲波的傳播路徑和反射情況會發生改變，超聲 B 掃設備接收這些反射回來的超聲波信號，并將其轉化為圖像，從而顯示出材料內部的結構信息。

在檢測 LF -CF/PEEK 復合材料時，由于該材料內部不同區域 PEEK 樹脂含量分布不同，無法形成均質結構，這給超聲 B 掃檢測帶來了挑戰。傳統應用于均質材料檢測的設備，在檢測該復合材料時，無法準確識別由于樹脂含量差異導致的信號變化，容易產生誤判或漏判。適用于熱固性復合材料的檢測設備，在檢測 LF -CF/PEEK 熱塑性復合材料時也存在一定的局限。熱固性復合材料的結構和性能特點與熱塑性復合材料有所不同，其檢測設備的參數設置和信號處理方式可能無法完全適應 LF -CF/PEEK 復合材料的特性，從而影響檢測結果的準確性和可靠性。

對圖1 中板材 Ⅱ 借助超聲 B 掃進行檢測，得到的結果顯示不同部位的檢測圖譜存在差異。在板材邊緣，由于 PEEK 樹脂相對比較富集，相對容易形成類均質結構。在這種情況下，超聲波在傳播過程中遇到的界面相對較為均勻，反射信號較為規則，因此檢測圖譜相對正常。在板材內部，檢測結果顯示表層存在一定的雜波干擾。這是因為板材內部的樹脂含量分布不均勻，超聲波在傳播過程中遇到不同密度和彈性的介質界面，產生了復雜的反射和折射，從而形成雜波。部分波可以穿透板材，但衰減嚴重，這表明板材內部對波的吸收比較強烈。造成這種現象的原因可能是板材內部存在孔隙、纖維與樹脂結合不緊密等缺陷，這些缺陷會導致超聲波在傳播過程中能量損失增加，從而出現衰減嚴重的情況。

由此可知，采用 B 掃檢測 LF -CF/PEEK 復合材料時，所選用的探頭頻率和設置參數對檢測結果有著重要影響。目前的檢測結果表明，現有的探頭頻率和設置參數可能并不完全適用于該復合材料的檢測，需要進一步調整探頭參數，如改變頻率、調整增益等，并進行驗證，以獲得更準確的檢測結果。通過不斷優化檢測參數，可以提高超聲 B 掃對 LF -CF/PEEK 復合材料內部結構的檢測能力，更準確地發現潛在的缺陷和問題。

5 C 掃無損檢測

依據 GJB1038.1A《纖維增強復合材料無損檢測方法》，采用水浸式脈沖反射法對 LF -CF/PEEK 復合材料進行 C 掃檢測。水浸式脈沖反射法的原理是將復合材料完全浸入水中，通過超聲探頭向水中發射脈沖超聲波，超聲波透過水進入復合材料內部。當超聲波遇到復合材料內部的缺陷或不同介質的界面時，會發生反射，反射回來的超聲波再次透過水被超聲探頭接收。設備根據接收到的反射信號的時間、幅度等信息，對復合材料內部的結構進行成像和分析。在檢測過程中，水作為耦合介質，能夠有效地傳遞超聲波，確保超聲波能夠順利進入復合材料內部，并提高檢測的靈敏度和準確性。這種檢測方法能夠全面、直觀地顯示復合材料內部的結合情況，對于發現諸如未貼合區域、微孔等缺陷具有較高的可靠性。

對于加工成異型制品的LF-CF/PEEK材料，超聲波的反射受到聲波與纖維方向夾角的限制。在這些異型制品中，纖維的排列方向錯綜復雜，與板材中規則的排列方式大相徑庭。因此，當超聲波傳播時，與纖維方向的夾角不同，會導致超聲波的衰減程度和聲速出現顯著差異。

在聲波傳播過程中，位于制品中心的纖維與靠近邊緣的纖維所處的環境和受力狀態存在差異，這也會影響超聲波的傳播特性。研究指出，聲波在垂直于纖維方向傳播時衰減更為顯著，且該方向的聲速較低。這是由于聲波在垂直于纖維方向傳播時，遇到的纖維與樹脂界面更多，反射和散射作用更為強烈，從而導致能量損失增加，聲速下降。鑒于這些因素，傳統的超聲C掃描水浸檢測方法并不適用于異型復合材料制品的檢測。因此，有必要進一步研究和開發適合異型制品的檢測技術，例如采用定制的探頭設計、優化檢測參數，或結合其他檢測技術，以增強對異型制品內部缺陷的檢測靈敏度。

6 層間性能檢測

為了進一步評估 PEEK 樹脂對碳纖維的浸潤效果，對復合材料板材進行彎曲性能和短梁強度檢測。在檢測過程中，嚴格依據相關標準進行操作。彎曲性能檢測借鑒 ASTM D7264《聚合物基復合材料彎曲性能標準試驗方法》，短梁強度檢測借鑒 ASTM D2344《聚合物基復合材料及其層壓材料短梁強度的標準試驗方法》。

對于厚板彎曲性能的樣條制備，樣條尺寸按照長度 × 寬度 × 厚度為 120mm×13mm×4mm 進行設計。采用機加工的方式制作樣條，在機加工過程中，要嚴格控制加工精度，確保樣條的尺寸符合標準要求，表面光潔度良好，避免因加工過程產生的缺陷影響檢測結果。對于薄板彎曲性能樣條，其長度和寬度維持不變，厚度則按照實際薄板的厚度進行制作。

在短梁強度檢測樣條制備方面，針對厚板，樣條尺寸為長度 × 寬度 × 厚度按照 4mm×8mm×24mm 進行制作，同樣采用機加工方式。對于薄板彎曲性能樣條，長度維持不變，寬度 × 厚度按照 2:1 的比例準備。通過嚴格按照標準制備樣條，為后續準確檢測復合材料的層間性能奠定了基礎。

對不同板材進行彎曲性能和短梁強度檢測后，得到了一系列數據，相關測試數據如表 1 所示。從表中數據可以看出，板材Ⅰ的彎曲強度、彎曲模量和短梁強度均低于板材 Ⅱ 的測試結果。這是因為板材Ⅰ的樹脂浸潤纖維效果不理想，在復合材料內部，纖維與基體之間的界面結合不夠緊密。當受到外力作用時，纖維與基體之間的應力傳遞效果較差，無法有效地將外力分散和傳遞，導致在較低的作用力下材料就發生失效破壞，從而使得板材 Ⅰ 的各項性能指標相對較低。

相對板材 Ⅱ 的檢測結果，板材 Ⅲ 的檢測結果都有所提高，數據增加 10% 左右。這可能是由于多種因素共同作用的結果。一方面，在將復材厚板加工成測試樣條的過程中，樣條表面的部分纖維因為加工由連續變成不連續狀態。纖維的連續性對于復合材料的承載能力有著重要影響，纖維的不連續會導致其本身承載力減小。另一方面，在機加階段，刀具選型和機加的參數不同，會對樣條本身造成一定的損傷。不合適的刀具可能會在樣條表面產生劃痕、毛刺等缺陷，影響材料的性能。機加參數如切削速度、進給量等設置不當，也可能導致材料內部結構受損。厚板相對薄板，板材越厚，在制備過程中產生孔隙等不良現象的幾率增加。這些孔隙會成為材料內部的薄弱環節，降低材料的性能。多種原因綜合作用下，按照同樣的檢測標準，厚板的檢測性能一般都會低于相應薄板的檢測性能。通過對不同板材層間性能檢測數據的分析，能夠更直觀地了解樹脂浸潤效果對復合材料性能的影響，為優化復合材料的制備工藝提供了重要的數據支持。

7.1汽車輕量化部件的檢測實踐

某汽車廠商為提升性能和實現輕量化，采用連續碳纖維織物增強PEEK熱塑性復合材料制造發動機罩蓋等部件。生產過程中，對原材料進行嚴格檢測，包括外觀檢查、電子顯微鏡觀察纖維微觀結構和化學分析PEEK樹脂純度與分子結構。成型后的部件通過超聲檢測技術檢查內部缺陷，并進行層間性能測試，如層間剪切強度和剝離強度測試，以確保復合材料的結合性能。通過優化工藝參數和樹脂配方，解決了成型問題和層間剪切強度不足的問題。檢測結果對汽車性能和安全至關重要，確保了部件質量，提升了加速性能和燃油經濟性，同時在安全方面，確保了部件在碰撞時的結構完整性，降低了安全風險，并保證了部件的化學穩定性和耐久性。準確的檢測結果對汽車性能與安全有著至關重要的影響。在性能方面，通過檢測確保發動機罩蓋等部件的質量合格，使汽車在行駛過程中能夠更好地發揮輕量化優勢。由于部件重量減輕，汽車的加速性能和燃油經濟性得到顯著提升。例如，搭載該復合材料發動機罩蓋的汽車，0 - 100km/h 加速時間縮短了約 0.5 秒，百公里油耗降低了約 0.3L。

7.2電子設備散熱部件的檢測流程

在高端筆記本散熱部件制造中，選用連續碳纖維織物增強的PEEK熱塑性復合材料，因其散熱和機械性能出色。生產中實施嚴格檢測流程，包括原材料檢驗、外觀檢測、無損檢測和熱性能檢測。

原材料檢驗階段，對碳纖維織物和PEEK樹脂的規格、性能、熱性能參數、純度和分子量分布進行嚴格檢測。復合材料成型后，外觀檢測是首要步驟。通過目視檢測散熱部件表面是否有劃痕、氣泡等缺陷。這些表面缺陷不僅會影響部件的美觀度，還可能降低其散熱性能和機械強度。對于微小的表面缺陷，采用光學顯微鏡進行進一步觀察和分析。接著，進行無損檢測。使用超聲檢測技術對散熱部件內部進行掃描，檢測是否存在孔隙、分層等缺陷。由于散熱部件需要在長期的熱循環條件下工作，內部缺陷可能會導致部件在使用過程中出現開裂等問題，影響散熱效果和電子設備的可靠性。例如，在一次超聲檢測中，發現某批次散熱部件存在少量內部孔隙，通過追溯生產工藝，發現是成型過程中壓力不足導致。通過調整壓力參數，成功解決了該問題。此外，還對散熱部件的熱性能進行檢測。使用熱成像儀等設備測量部件在不同溫度下的散熱效率，確保其滿足電子設備的散熱需求。通過熱導率測試，評估復合材料的熱傳導性能，為優化散熱設計提供數據支持。

這些檢測方法顯著提升了電子設備的可靠性，確保散熱部件內部結構完整性和熱性能穩定性，避免過熱導致的性能下降和壽命縮短。同時，確保散熱部件機械性能符合要求，保護電子元件安全，提高設備抗摔性能和使用壽命。

8未來展望

未來，在連續 CF/PEEK 復合材料檢測領域，仍有許多值得深入研究的方向。在檢測設備方面，需要進一步研發和改進適用于該材料的專用設備。鑒于其特殊的材料結構和性能特點，現有的檢測設備在檢測過程中存在一定的局限性。未來應致力于開發具有更高分辨率、更精準檢測能力的設備，以滿足對材料內部微觀缺陷和結構變化的檢測需求。

檢測方法的創新也是關鍵。隨著材料科學和檢測技術的不斷發展，應積極探索新的檢測原理和方法。例如，結合人工智能、大數據分析等技術，實現對檢測數據的智能化分析和處理，提高檢測效率和準確性?？梢岳脵C器學習算法對大量的檢測數據進行學習和訓練，建立材料缺陷與檢測數據之間的關聯模型，從而實現對材料質量的快速、準確評估。

針對不同應用領域對材料性能的特殊要求，應進一步優化檢測方案。在航空航天領域，對材料的可靠性和安全性要求極高，需要更加嚴格和精細的檢測標準；在醫療領域，對材料的生物相容性和穩定性有特殊要求，檢測方案應側重于這些方面的評估。通過定制化的檢測方案，能夠更好地滿足各領域對材料質量的嚴格要求，推動連續 CF/PEEK 復合材料在更多領域的廣泛應用和發展。

參考資料：

[1]王二平,譚宗尚,陸士強,等.連續碳纖維織物增強PEEK熱塑性復合材料檢測方法研究[J].纖維復合材料,2023,40(03):70-75.