《Composite Structures》：Enhanced energy absorption of CF/PEEK tube via a novel wrapping-braiding-hot pressing method
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低密度碳纤维增强聚醚醚酮复合管通过缠绕-编织-热压工艺制备，实现高比能量吸收（55.8 kJ/kg）和优异高温稳定性（170℃时保留率超95%）。X射线断层扫描揭示编织层断裂、基体开裂和分层协同耗能机制。
作者：袁浩夏、赵一平、李东生、孙泽宇、高宇、葛登腾、杨莉莉
中国上海东华大学材料科学与工程学院先进纤维材料国家重点实验室，邮编201620
摘要
热塑性复合管因其高强重比、优异的能量吸收性能、设计灵活性和高温稳定性，在航空航天和交通运输领域得到广泛应用，是汽车和航空航天结构中的关键碰撞能量吸收器。然而，制造低密度且具有高能量吸收性能的复合管以及明确其失效机制仍然具有挑战性。本文报道了一种新的包裹-编织-热压工艺，用于制备超低密度（0.5–0.6 g/cm3）和高比能量吸收率（SEA，55.8 kJ/kg）的连续碳纤维增强聚醚醚酮（CCF/PEEK）管。PEEK粉末浸渍和纤维包裹增强了纤维与树脂的润湿性。在准静态压缩条件下，轴向纱线的添加提升了管材的性能：含有14根轴向纱线的管材总能量吸收率（EA）比不含轴向纱线的管材高出77.5%，比能量吸收率（SEA）高出53.3%。在170°C时，压缩性能和SEA保持率超过95%。X射线计算机断层扫描（CT）揭示了失效模式，包括编织层断裂、预浸料断裂、基体开裂和分层，为高性能热塑性复合管的制备提供了新策略。
引言
由于纤维增强复合管具有低重量、高比强度、能量吸收能力和设计灵活性，因此在航空航天、交通运输、体育等领域得到了广泛研究[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。薄壁复合管被广泛用作汽车前后防撞箱和电池包厢导轨中的轴向碰撞能量吸收器，以及航空航天领域的地板/座椅能量吸收构件和起落架滑轨。这些部件需要在受控渐进式压碎和高温环境下具有高比能量吸收能力[8]、[9]。然而，以往的研究主要集中在热固性复合材料上，这类材料在高温下的性能较差，固化周期长，且回收利用性差[10]、[11]。目前，基于环氧树脂的复合材料是研究最为广泛的。对于环氧树脂，其机械性能通常在基体玻璃化转变温度（Tg）附近（约126°C）开始显著下降[12]。在Tg以上，尽管热分解开始，但压缩强度和层间剪切强度迅速下降。而对于热塑性复合材料，软化同样在Tg附近开始，但半结晶基体（例如PEEK：Tg约143°C，熔点Tm约343°C）在160–180°C范围内仍能保持较大的刚度/强度[13]。例如，Liu等人[14]通过三维编织-缠绕-挤压法制备了热固性CFRP管，但在100°C和180°C时的比能量吸收率分别下降了75.5%和96.4%。热固性复合材料在极端环境下的应用受到严重限制。相比之下，热塑性复合材料具有更高的韧性、耐损伤性、可回收性和可焊接性[15]、[16]、[17]、[18]、[19]，并且在高温下具有更好的机械性能[13]、[21]。随着对高温性能复合管需求的增加，热塑性复合管近年来成为研究热点[22]、[23]、[24]。
然而，热塑性树脂的加工温度较高，熔体粘度较大[25]，这给制造中空结构带来了困难。例如，Hosseini等人[26]通过激光辅助带材缠绕（LATW）方法制备了CF/PEEK管，并对基底和预浸料-带材表面的温度变化进行了详细评估；Fereidouni等人[27]研究了CF/PEEK材料，并系统总结了热塑性自动纤维放置（AFP）过程中的缺陷类型和起源；Xia等人[5]开发了一种挤压-缠绕工艺来制备CF/PEEK管，并探讨了铺层方式对管材性能的影响。Karbuz等人[28]利用热塑性纤维缠绕和原位固化工艺制备了非圆柱形六边形几何结构的管材，选用了玻璃纤维增强聚丙烯预浸料带作为原材料。然而，这些方法都依赖于刚性预浸料带，这限制了结构设计的自由度，导致最终得到的层压板基本为实心，难以进一步降低密度。El-Jakl等人[29]通过混合玻璃纤维/聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纱线与挤压工艺制备了编织管，但未进一步研究其性能。此外，对于PEEK等高粘度树脂，纤维级别的混合仍难以实现充分的浸渍。因此，迫切需要新的方法来制备高性能热塑性复合管。此外，多孔结构作为一种独特的能量吸收结构，也得到了广泛研究。这些多孔材料主要依靠三阶段能量吸收机制，包括孔隙变形和胞壁屈曲或断裂。该机制包括初始屈曲/屈服阶段、一个几乎恒定的平台阶段（在此阶段变形持续且能量耗散稳定），以及随后的快速致密化阶段[30]、[31]。编织工艺通过调节编织参数有助于制备多孔结构，并为开发能量吸收组件提供了独特优势。
同时，关于编织管失效机制的研究主要集中在热固性复合材料上[32]、[33]。Wu等人[34]研究了双轴/三轴编织热固性复合管（密度2.1–2.4 g/cm3）的层堆叠顺序，Chen等人[35]分析了不同触发条件和增强方式下的轴向压碎行为（密度1.4–1.8 g/cm3）。对于低密度热塑性编织管的失效行为和机制的理解仍不充分。
为了解决这些挑战，我们提出了一种包裹-编织-热压工艺，用于制备低密度、高能量吸收率和热稳定性的CCF/PEEK复合管。在热压过程中，先对PEEK粉末进行预浸渍，然后使用PEEK纤维进行包裹，从而改善了纤维-基体界面的润湿性，增强了层间粘结。在编织过程中可以调整结构参数，从而调控材料的性能，包括密度和能量吸收率。本研究实现了0.5–0.6 g/cm3的超低密度和55.8 kJ/kg的优异比能量吸收率（SEA）。特别重要的是，在170°C时，SEA的保持率超过95%。此外，X射线计算机断层扫描（XR-CT）的三维损伤重建显示，多孔结构能够阻止裂纹扩展和整体失效，而编织层和单向（UD）预浸料带发生断裂和分层，有效耗散能量。这种方法为高性能热塑性复合管提供了新的制备途径和结构设计，可能扩大其在航空航天等领域的应用范围。
通过包裹-编织-热压制备CF/PEEK管的过程
制备过程包括三个步骤：预浸料纱线的包裹、编织和热压成型。预浸料纱线的制备分为两个步骤。首先，将碳纤维束（T300-3K，恒申有限公司）浸入PEEK粉末（500目，徐州世盛塑料有限公司）悬浮液中以实现树脂浸渍。随后，将PEEK纤维（230旦，常州创英新材料有限公司）螺旋缠绕在浸渍后的碳纤维束上。
轴向压缩性能
对三种类型的编织复合管进行了准静态压缩测试。从所得的载荷-位移曲线可以看出，压碎过程可以分为三个不同的阶段。在弹性阶段，载荷与位移呈线性关系，未观察到明显的损伤，这反映了材料的弹性响应。在屈服阶段，当施加的应力超过材料的压缩强度时，载荷显著下降。
结论
本文报道了一种新的包裹-编织-热压工艺，用于制备超低密度（0.5–0.6 g/cm3）和高比能量吸收率（55.8 kJ/kg）的CCF/PEEK复合管。根据不同的铺设设计调整了轴向纱线的数量。在不同温度下进行了准静态轴向压缩测试和落锤冲击测试，以研究管材的性能。系统增加轴向纱线的含量可以提高管材的峰值载荷。
作者贡献声明
袁浩夏：撰写初稿、方法论设计、实验研究。
赵一平：实验研究、数据分析。
李东生：方法论设计、数据分析。
孙泽宇：撰写、审稿与编辑、方法论设计。
高宇：方法论设计。
葛登腾：方法论设计、概念构思。
杨莉莉：撰写、审稿与编辑、方法论设计、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
