熱塑性碳纖維因其更好的抗沖擊性、可重塑性等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為未來會(huì)取代熱固性碳纖維，成為航空航天等領(lǐng)域中不可或缺的高性能復(fù)合材料。然而熱塑性碳纖維復(fù)合材料的制備難度較高，而且對(duì)此類復(fù)合材料的性能測(cè)試并不全面，因此想要充分且成熟的將之推廣應(yīng)用到更多領(lǐng)域，還需要時(shí)間和技術(shù)的沉淀。本文將結(jié)合專業(yè)論文，介紹溫度因素對(duì)熱塑性碳纖維復(fù)合材料在模擬沖擊環(huán)境下的影響。
　　
 
　　利用沖擊測(cè)試儀等工具對(duì)CF/PPS層壓板進(jìn)行相關(guān)測(cè)試
　　
　　使用沖擊測(cè)試儀和傳感器中獲得的沖擊參數(shù)包括時(shí)間、力、能量、位移和速度等，利用“力-位移”與“能量-時(shí)間”的關(guān)系圖可以測(cè)試CF/PPS層壓板樣品的剛度、最大沖擊力、最大位移、沖擊能量、吸收能量等數(shù)據(jù)效果。分別在不同溫度（室溫、95℃和125℃），不同沖擊能量（5J、15J、25J和35J）下進(jìn)行多組對(duì)照測(cè)試，明確不同條件下CF/PPS層壓板在沖擊行為下，是否出現(xiàn)損傷、損傷模式、沖擊形成的表面壓痕大小和深度等，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果，盡可能還原沖擊環(huán)境下熱塑性碳纖維復(fù)合材料制品受溫度影響的真實(shí)情況。
　　
 
　　溫度對(duì)CF/PPS層壓板沖擊實(shí)驗(yàn)的影響主要分為5個(gè)方面
　　
　　1、溫度對(duì)CF/PPS層壓板沖擊響應(yīng)的影響：在沖擊能量較高（25J以上）的狀態(tài)下，高溫比室溫更容易產(chǎn)生沖擊引起的損傷，這是因?yàn)楦邷匾l(fā)基體軟化，而且引起了傳播韌性。相同沖擊能狀態(tài)下，溫度越高，CF/PPS層壓板吸收能越低，引發(fā)的沖擊損傷越?。欢谙嗤瑴囟认?，沖擊能量越高，發(fā)生沖擊損傷的程度越高。另外沖擊損傷發(fā)生后，最大沖擊力Fmax并不是隨著溫度的升高而降低，而是在95℃和125℃時(shí)均呈現(xiàn)高于室溫的結(jié)果，尤其是在95℃時(shí)達(dá)到最高，這是因?yàn)镃F/PPS的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為105℃，95℃時(shí)進(jìn)入臨界過度狀態(tài)，有助于獲得更好的復(fù)合材料阻力。
　　
 
 
　　2、溫度對(duì)CF/PPS層壓板永久壓痕的影響：永久壓痕作為通常以層合板目視可檢損傷（BVID）作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，而碳纖維復(fù)合材料中的樹脂對(duì)于溫度因素較為敏感，實(shí)驗(yàn)采取對(duì)CF/PPS層壓板沖擊后松弛48小時(shí)后的凹痕深度進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)表明，在相同沖擊能狀態(tài)下，溫度越高，凹痕深度越深，另外已知CF/PPS層壓板等玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為105℃，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)95℃和125℃狀態(tài)下，對(duì)比室溫狀態(tài)的凹痕深度，125℃的凹痕深度提升幅度更大。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，沖擊能量25J的凹痕增加幅度小于沖擊能量15J，這是因?yàn)闇囟忍嵘龝?huì)減弱沖擊能量對(duì)沖擊效果的影響。
　　
 
　　3、溫度對(duì)CF/PPS層壓板外部損傷的影響：沖擊能量為15J的狀態(tài)下，室溫下CF/PPS層壓板受沖擊后正反兩面的損傷并不嚴(yán)重，損傷模式為少量纖維斷裂、正面基體裂紋、纖維拉出和背面基體裂紋；在95℃下，CF/PPS層壓板發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，正面的纖維以韌性方式斷裂，且基體有塑性變形和扭結(jié)帶，背面纖維分裂更明顯，但纖維斷裂和基體裂紋反而更??；在125℃下，CF/PPS層壓板正面基體變軟，纖維交叉處塑性變形和纖維斷裂更明顯，但由于富樹脂區(qū)域的存在，裂紋無法傳播，背面有明顯纖維斷裂和分裂的情況，其中翹曲纖維的彎曲應(yīng)力超過自身承受極限，損傷較95℃樣本更嚴(yán)重一些，但較室溫樣品更輕微一些。
　　
 
　　當(dāng)沖擊能量提升至25J后，CF/PPS層壓板的損傷程度更嚴(yán)重，而且損傷模式更復(fù)雜。在室溫狀態(tài)下，正面有大量纖維斷裂和基體開裂，背面有纖維分裂、纖維斷裂、纖維拉出、基體開裂和纖維基體脫粘；但隨著溫度提升，層壓板出現(xiàn)塑性變形和扭結(jié)帶，整體損傷較室溫樣品更輕微，但研究發(fā)現(xiàn)95℃和125℃的樣品的損傷明顯沿橫向傳播，0°和90°方向的翹曲纖維承受較大應(yīng)力，發(fā)生更明顯的塑性變形。
　　
 
　　4、溫度對(duì)CF/PPS層壓板沖擊損傷分層面積的影響：在任何溫度下，25J沖擊能量下的分層面積都大于15J沖擊能量下的分層面積，而在相同沖擊能量下，溫度越高，分層面積越小。15J沖擊能量下，95°C和125°C時(shí)的分層面積值分別降低了43.31%和57.45%；而25J沖擊能量下，95°C和125°C時(shí)的分層面積值分別降低了21.98%和31.73%。對(duì)比15J和25J兩組沖擊能量樣品，沖擊能量低的一組，溫度對(duì)分層面積有更好的抑制作用。
　　
 
　　5、溫度對(duì)CF/PPS層壓板內(nèi)部損傷的影響：沖擊能量15J狀態(tài)下，室溫下[±45]層的平面外剪切纖維束中可發(fā)現(xiàn)45°基質(zhì)裂紋，沖擊側(cè)附近的[0,90]層的卷曲附近產(chǎn)生纖維基體脫粘，脫粘裂紋沿著編織模式傳播，并由于纖維橋接機(jī)制而被阻止，在未受沖擊側(cè)附近的[±45]層中也很少觀察到層內(nèi)裂紋；95℃下在[±45]層平面外剪切纖維束和樹脂豐富的區(qū)域都可以觀察到裂紋，其主要原因是由于基體的延性增強(qiáng)，導(dǎo)致復(fù)合材料在沖擊器下靠近非沖擊側(cè)的區(qū)域發(fā)生塑性變形；125℃下，在[±45]、[0,90]層平面外剪切纖維束和樹脂豐富的區(qū)域可以看到許多基體裂紋，受沖擊側(cè)附近的裂紋方向?yàn)?5°，而非受沖擊側(cè)附近的裂紋方向接近90°，表明非受沖擊側(cè)附近有明顯的塑性變形。
　　
 
　　沖擊能量提升至25J后，內(nèi)部沖擊損傷更多更明顯，而損傷模式與15J狀態(tài)類似。溫度對(duì)CF/PPS復(fù)合材料沖擊破壞機(jī)理的影響可以確定為基體的塑性變形、層間斷裂韌性的增加及其與富樹脂區(qū)的耦合效應(yīng)、特定結(jié)構(gòu)引起的纖維橋接和應(yīng)力集中。
　　
 
　　熱塑性碳纖維被認(rèn)為有望取代熱固性碳纖維，主要是該類型復(fù)合材料有可能憑借其可重塑的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)未來碳纖維產(chǎn)業(yè)智能化升級(jí)，以及產(chǎn)業(yè)閉環(huán)的需求。智上新材料認(rèn)為，未來的碳纖維行業(yè)的發(fā)展，將會(huì)以連續(xù)碳纖維和高性能熱塑性基體作為重要的因素，從產(chǎn)能和回收這2個(gè)方面不斷完善現(xiàn)有碳纖維產(chǎn)業(yè)，通過對(duì)高端和民用2個(gè)方向的大力發(fā)展，實(shí)現(xiàn)一個(gè)技術(shù)成熟、性能成熟和產(chǎn)業(yè)成熟的碳纖維工業(yè)結(jié)構(gòu)體。