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航空复合材料制造迎来革新：低温亚熔融固结技术实现高速、低能耗生产

航空级复合材料在飞机制造中至关重要，但其加工过程长期以来受限于高能耗与长周期，难以满足未来航空业大规模生产的需求。特别是热塑性复合材料，虽具备优异的可焊接性、耐化学性与损伤容限，却因结晶性导致的加工窗口狭窄、设备成本高昂等问题，在商业化高速生产方面进展缓慢。

近日，得克萨斯大学奥斯汀分校Joseph G. Kirchhoff博士和加州大学圣迭戈分校Mehran Tehrani教授合作开发出一项名为“OATMEAL”（Out-of-Autoclave Amorphous/Crystalline Thermoplastic Materials for Energy-Efficient Aerospace-Grade Laminates）的新技术取得突破。该技术采用独特的预浸料结构，将慢冷碳纤维增强聚醚醚酮（PEEK）带材包裹在薄层非晶聚醚酰亚胺（PEI）中。PEI与PEEK相容，使其能在低于PEEK熔点的温度下实现界面愈合，从而将加工温度降低80°C。通过激光烧蚀减薄PEI层，不仅减少了残余应力，还提升了材料的耐化学性。采用仅需真空袋的烘箱工艺，OATMEAL层压板的加工速度比传统方法快五倍以上，能耗降低约75%，且能获得符合航空质量要求的部件，为实现高速度、大规模航空结构制造迈出关键一步。相关论文以“Sub-Melt Consolidation of Aerospace-Grade Thermoplastic Composites for High-Rate Processing”为题，发表在

Advanced Materials

研究通过一系列实验揭示了OATMEAL技术的机理与性能。图1示意了完整的工艺流程：首先将PEI膜与CF/PEEK预浸料在高温下愈合，随后在PEEK熔点以下、PEI玻璃化转变温度以上的“金发姑娘”区间进行加工。关键步骤是利用激光烧蚀去除表面的纯PEI，留下一个PEEK-PEI混合界面层，从而在亚熔融温度下实现层间固结。化学表征结果（图2）直观展示了激光烧蚀的效果。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对抛光截面进行化学图谱分析，可以清晰看到，未经烧蚀的“混合”层压板层间存在20-30微米厚的纯PEI区，而经过激光烧蚀的OATMEAL样品层间则显示为PEEK-PEI混合区，树脂含量显著降低。原子力显微镜红外光谱（AFM-IR）的纳米尺度图谱进一步证实，在愈合界面处存在约40微米宽的渐变混合区域，表明两种聚合物已充分互扩散。

图1： 概述将无定形聚合物（PEI）与半结晶预浸料（CF/PEEK）在慢速冷却前进行愈合的过程（a）；带有PEI包覆层的“适宜区间”加工窗口（b）；PEI表面的激光烧蚀，留下PEEK‑PEI混合层（c）；以及低于熔点的固结实现与冷却速率无关的工艺（d）。

图2： （a）纯PEI与PEEK的中红外FT‑IR光谱，突出用于区分两者的特征峰；（b）抛光层压板截面光学显微图像，显示界面区域；（c）特征PEI与PEEK峰间吸收比的空间FT‑IR映射；（d）愈合PEI‑PEEK薄膜的AFM‑IR纳米尺度映射；（e）0°/90°铺层方向的OATMEAL界面AFM‑IR映射；（f）愈合薄膜跨越40 μm混合区域的相应吸收光谱。

材料的热性能与结晶行为分析（图3）提供了更多洞见。差示扫描量热法（DSC）显示，所有层压板总体结晶度相近，证明在300°C的亚熔融温度下加工成功保留了PEEK的结晶性。OATMEAL层压板的DSC曲线中PEI的玻璃化转变温度向低温移动，这与化学图谱中观察到的PEI含量减少、混合增加的现象一致。此外，OATMEAL层压板出现了独特的三重熔融峰，这可能与加工过程中PEI的分布与排斥行为有关。

图3： （a）代表性DSC加热曲线，显示PEI玻璃化转变温度的移动以及在混合和OATMEAL层压板中出现的双峰和三峰熔融行为；（b）各体系计算的结晶度百分比（六个试样的平均值）；（c）在300°C下固化30分钟的准各向同性与单向层压板（混合与OATMEAL）与在380°C下处理的CF/PEEK参考件的短梁剪切强度对比；（d）通过五个样品中间铺层附近截面光学显微图像分析定量的纤维体积分数。

力学性能测试证实了OATMEAL的结构优势。短梁剪切强度（SBS）测试（图3c,d）表明，在300°C固结的准各向同性与单向OATMEAL层压板，其层间剪切强度分别达到了基准CF/PEEK层压板（在380°C固结）的77%和87%，远超未烧蚀的“混合”层压板。这归因于激光烧蚀将层间富树脂区厚度减至5-10微米，提高了纤维体积分数，并缓解了因热膨胀系数不匹配产生的残余应力。对失效断口的扫描电镜观察（图4）进一步证实，OATMEAL的失效模式更接近于基准CF/PEEK，裂纹在层间扩展而非局限于单一的厚树脂层，表明其层间完整性更优。

图4： SBS样本失效界面的剖视SEM成像，显示在烧蚀纯PEI后失效模式向CF/PEEK失效模式收敛。

为验证其高速生产潜力，研究进行了快速冷却的真空袋烘箱工艺试验（图5）。结果表明，即使在约45°C/min的快速冷却和较低压力下，OATMEAL层压板仍能保持85%以上的传统热压罐工艺SBS强度，而“混合”层压板性能则骤降60%。基于此连续流生产工艺模型预测，OATMEAL技术可使生产效率提升五倍。同时，加工温度从380°C降至300°C，结合更小的设备热质量与消除重复热循环，可带来约75%的能耗节约。

图5： （a）详细说明在冷却过程中高压釜和VBO烘箱加工条件的表格，突出降低的加工温度和增加的冷却速率；（b）两种层压板均保持高结晶度，但OATMEAL在快速冷却后仍保持优异的SBS强度；（c）采用进出穿梭和空气冷却的OATMEAL连续VBO烘箱理论生产率，展示了高达5倍的产能提升。

综上所述，OATMEAL技术通过引入并精确调控非晶/结晶聚合物混合界面，成功实现了高性能热塑性复合材料的亚熔融固结。该技术在显著降低加工温度与能耗的同时，大幅提升了生产速率，并保持了优异的层间力学性能，为满足未来航空工业对高速率、大规模、可持续制造的需求提供了一条切实可行的新路径。未来研究将聚焦于将该技术集成到自动纤维铺放等原位固结平台、优化工艺参数以精确控制互扩散深度、探索适用于更高熔点聚合物的“金发姑娘”区间，并进行全面的疲劳与环境耐久性测试，以进一步推动其工程化应用。