一、連續(xù)纖維/熱塑性預(yù)浸料浸漬效率提升技術(shù)路徑

1. 樹(shù)脂基體改性策略

（1）分子鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用超支化聚苯醚（HB-PPE）接枝改性聚醚醚酮（PEEK），在基體中引入柔性支鏈（接枝率15%～20%），使樹(shù)脂熔體黏度在380℃時(shí)從850 Pa·s降至420 Pa·s，流動(dòng)活化能降低37%。

通過(guò)反應(yīng)性共混技術(shù)，在聚苯硫醚（PPS）基體中引入5 wt%的聚酰胺6（PA6）嵌段共聚物，形成微相分離結(jié)構(gòu)，樹(shù)脂結(jié)晶速率提升40%，熔體延展性提高2.2倍。

（2）界面活性助劑開(kāi)發(fā)

合成含雙鍵的硅氧烷-環(huán)氧嵌段共聚物（DSE），在熔融浸漬過(guò)程中原位反應(yīng)形成梯度界面層，使碳纖維與PEEK的界面剪切強(qiáng)度（IFSS）從28 MPa提升至43 MPa。

引入納米級(jí)離聚體（磺化度15%的聚苯乙烯-co-馬來(lái)酸酐），在纖維表面形成離子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，浸漬壓力降低30%時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂對(duì)纖維束的完全滲透。

2. 纖維預(yù)處理與展纖技術(shù)

（1）等離子體-偶聯(lián)劑協(xié)同處理

采用大氣壓等離子體（功率800 W，處理時(shí)間15 s）結(jié)合γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550）接枝，使碳纖維表面能從42 mN/m提升至68 mN/m，樹(shù)脂潤(rùn)濕角從102°降至28°。

通過(guò)電化學(xué)氧化在玻璃纖維表面構(gòu)筑納米級(jí)溝槽結(jié)構(gòu)（溝槽深度200～300 nm），結(jié)合KH-560處理，使纖維單絲拔出功提高65%。

（2）機(jī)械展纖工藝優(yōu)化

開(kāi)發(fā)多級(jí)展纖輥組（輥徑比1:3:5），在180℃下對(duì)碳纖維束進(jìn)行漸進(jìn)式展寬，展纖寬度從3 mm擴(kuò)展至25 mm，纖維體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)從±4%降至±1.2%。

采用超聲振動(dòng)輔助展纖技術(shù)（頻率20 kHz，振幅15 μm），使纖維束內(nèi)單絲間距從12 μm增加至28 μm，樹(shù)脂滲透通道截面積提升3.2倍。

二、熱塑性預(yù)浸料制備工藝參數(shù)優(yōu)化

1. 熔融浸漬工藝核心參數(shù)

（1）溫度場(chǎng)精準(zhǔn)控制

樹(shù)脂熔融區(qū)采用三段式溫度梯度設(shè)計(jì)：

預(yù)熱段（320℃～340℃）：消除樹(shù)脂內(nèi)應(yīng)力，避免熱歷史導(dǎo)致的降解

熔融段（360℃～380℃）：控制樹(shù)脂黏度在400～600 Pa·s，確保纖維束完全浸潤(rùn)

保溫段（350℃～360℃）：消除溫度梯度引發(fā)的固化不均，停留時(shí)間誤差≤±5 s

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)熔融區(qū)溫度波動(dòng)超過(guò)±3℃時(shí)，預(yù)浸料孔隙率呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)（每升高1℃孔隙率增加0.8%～1.2%）。

（2）壓力-速度協(xié)同調(diào)控

建立浸漬壓力（P）與纖維線(xiàn)速度（V）的動(dòng)態(tài)匹配模型：

P=0.025V1.8+0.8(V∈[5,20]m/min)

當(dāng)V=12 m/min時(shí)，最優(yōu)壓力為2.3 MPa，此時(shí)樹(shù)脂滲透深度達(dá)纖維束直徑的92%

速度波動(dòng)超過(guò)±0.5 m/min將導(dǎo)致浸漬前沿不連續(xù)，形成周期性孔隙缺陷

2. 新型浸漬設(shè)備開(kāi)發(fā)

（1）雙螺桿-模頭耦合系統(tǒng)

設(shè)計(jì)同向雙螺桿擠出機(jī)（L/D=48）與狹縫模頭組合裝置，通過(guò)螺桿剪切與模頭壓力場(chǎng)的協(xié)同作用，使樹(shù)脂在纖維束內(nèi)的填充時(shí)間從傳統(tǒng)工藝的8 s縮短至2.3 s。

實(shí)驗(yàn)表明，采用該設(shè)備制備的PA6/碳纖維預(yù)浸料（纖維體積分?jǐn)?shù)60%），孔隙率從4.2%降至0.7%，層間剪切強(qiáng)度達(dá)68 MPa。

（2）超聲輔助浸漬裝置

在模頭入口處集成20 kHz超聲換能器（功率密度0.8 W/cm²），通過(guò)空化效應(yīng)破壞樹(shù)脂熔體表面張力，使浸漬壓力降低40%時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)纖維束的完全浸潤(rùn)。

微觀(guān)CT掃描顯示，超聲處理后預(yù)浸料內(nèi)部孔隙形態(tài)由長(zhǎng)條狀轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐?，?dāng)量直徑從50～80 μm減小至15～25 μm。

三、預(yù)浸料孔隙率多尺度調(diào)控機(jī)制

1. 孔隙缺陷形成機(jī)理

（1）樹(shù)脂相孔隙

氣體包裹型孔隙：主要源于樹(shù)脂熔體中的揮發(fā)分殘留，通過(guò)三級(jí)真空脫氣系統(tǒng)（壓力梯度10?³→10?? Torr）可使殘留氣體含量從0.8 vol%降至0.05 vol%。

結(jié)晶收縮孔隙：在PPS基體中引入5 wt%的成核劑（納米氧化鋁），使晶體生長(zhǎng)速率提升60%，結(jié)晶收縮率從4.2%降至1.8%。

（2）纖維相孔隙

纖維束內(nèi)孔隙：通過(guò)展纖工藝將纖維單絲間距擴(kuò)大至30 μm以上，結(jié)合樹(shù)脂低黏度化（η≤500 Pa·s），使纖維束內(nèi)孔隙率從3.5%降至0.3%。

纖維-樹(shù)脂界面孔隙：采用梯度界面設(shè)計(jì)（內(nèi)層化學(xué)鍵合層+外層物理錨固層），使界面孔隙率從1.2%降至0.15%。

2. 孔隙率檢測(cè)與表征技術(shù)

（1）高分辨率X-CT成像

采用微焦點(diǎn)CT系統(tǒng)（分辨率5 μm）對(duì)預(yù)浸料進(jìn)行三維重構(gòu)，通過(guò)孔隙形態(tài)學(xué)分析發(fā)現(xiàn)：

孔隙當(dāng)量直徑分布符合Weibull分布（形狀參數(shù)β=1.8，尺度參數(shù)η=22 μm）

孔隙連通性指數(shù)（PCI）與層間剪切強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)（R²=0.91）

（2）太赫茲時(shí)域光譜（THz-TDS）

建立孔隙率-太赫茲透射率定量關(guān)系模型：

Vv=1.25⋅(1−T/T0)1.4(T0為無(wú)孔隙參考值)

檢測(cè)靈敏度達(dá)0.05 vol%，空間分辨率優(yōu)于100 μm

實(shí)驗(yàn)表明，THz-TDS檢測(cè)結(jié)果與金相法對(duì)比誤差≤±0.2 vol%

四、工藝-性能-孔隙率關(guān)聯(lián)性研究

1. 孔隙率對(duì)力學(xué)性能的影響規(guī)律

（1）靜態(tài)力學(xué)性能

孔隙率每增加0.5 vol%，預(yù)浸料復(fù)合材料：

彎曲強(qiáng)度下降3.8%～4.2%（PA6基體）

層間剪切強(qiáng)度降低2.7%～3.1%（PEEK基體）

沖擊韌性衰減12%～15%（PPS基體）

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)孔隙當(dāng)量直徑＞20 μm時(shí)，裂紋擴(kuò)展路徑將沿孔隙網(wǎng)絡(luò)傳播，導(dǎo)致失效模式由纖維斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榻缑婷撜场?/p>

（2）疲勞性能衰減模型

建立孔隙率-疲勞壽命的指數(shù)衰減方程：

Nf=Nf0⋅e−0.85Vv(Nf0為無(wú)孔隙基準(zhǔn)壽命)

孔隙率從0.5 vol%增加至2.0 vol%時(shí)，PPS/碳纖維復(fù)合材料疲勞壽命下降76%

疲勞裂紋萌生壽命占比從65%降至38%，表明孔隙缺陷顯著加速裂紋擴(kuò)展階段

2. 工藝參數(shù)與孔隙率的定量關(guān)系

（1）浸漬壓力-孔隙率映射

通過(guò)響應(yīng)面法（RSM）建立二次多項(xiàng)式模型：

Vv=2.15−0.42P+0.012P2(P∈[1.5,3.0]MPa)

最優(yōu)浸漬壓力為2.1 MPa，此時(shí)孔隙率理論預(yù)測(cè)值為0.63%，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證值為0.71%

壓力波動(dòng)±0.2 MPa將導(dǎo)致孔隙率預(yù)測(cè)誤差擴(kuò)大至±0.35 vol%

（2）溫度-速度協(xié)同效應(yīng)

構(gòu)建三維工藝參數(shù)響應(yīng)面（溫度350℃～380℃，速度5～20 m/min）：

等孔隙率曲面顯示，當(dāng)溫度每升高5℃時(shí)，允許的最大線(xiàn)速度可提升3.2 m/min而不增加孔隙率

工藝窗口優(yōu)化后，PA6/碳纖維預(yù)浸料生產(chǎn)效率提升2.8倍，孔隙率穩(wěn)定控制在0.8%以下