工艺与制造英文2025
碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的工艺-结构-性能优化：高温自动铺纤技术应用
Process–structure–property optimization of carbon fiber-reinforced polyetheretherketone composites manufactured via high-temperature automated fiber placement techniques
Juwon Kehinde Olowonigba
摘要整理
碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）复合材料作为高性能热塑性复合材料，具有优异的比强度、耐化学腐蚀性和热稳定性，在航空航天、汽车和生物医学等极端服役条件应用中备受关注。高温自动铺纤（AFP）技术因能精确控制纤维取向、制造大型复杂结构件且材料浪费少而成为主流制造方法。然而，CF/PEEK体系的工艺-结构-性能关系因工艺参数、微观结构演变与力学性能间的复杂耦合作用而成为多参数优化难题。本研究建立了集实验研究与计算模型于一体的工艺-结构-性能优化框架，系统研究了影响CF/PEEK性能的关键制造变量。通过变化铺纤速度、固化压力、热输入和冷却速率等工艺参数，揭示其对层间粘结、孔隙率和结晶度的影响规律。采用显微镜观察和热分析等微观表征手段，阐明纤维排列、树脂分布和结晶动力学对刚度、强度和抗冲击性能的调控机制。运用正交设计（DoE）和机器学习回归模型建立工艺预测图谱，实现针对特定性能需求的参数精准调控。研究表明，通过精确的热控制和固化策略可实现最优性能，孔隙率控制在1%以下，结晶度最大化且无热降解。该工艺-结构-性能优化框架为高温AFP制造CF/PEEK提供了可扩展的方法论，确保产品质量一致性，促进其在安全关键应用领域的工业化推广。
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