近年来，由纤维预浸料制备的碳纤维/环氧树脂复合材料具有优异的力学性能、耐腐蚀性和可设计性，可应用于卫星飞行器、太阳能电池板和天线等结构件、无人机和电子封装等领域[1-2]。单向纤维预浸料具有强度高、密度小、耐腐蚀、应用便利等优点，通过调整单向纤维预浸料的铺设位置、角度和层数，获得质量稳定、性能优良的复合材料层合板[3-4]。然而，碳纤维环氧树脂基层合板含有大量的环氧基团，脆性较大，层间只依赖树脂进行黏结，在较强外力作用下产生裂纹，导致复合材料易分层[5-7]。通过在预浸料层间添加热塑性或热固性树脂填料，其受热时起层间软化效果，增强层之间的黏结强度，提高层合板的力学性能。通过低模量、高韧性填料增韧可以有效缓解层合板应力集中[8-10]。聚醚醚酮(PEEK)具有耐热性、高韧性、抗疲劳性等优异性能，在航空航天、汽车制造等领域广泛应用，许多研究者对PEEK在树脂增韧领域进行探究[11-13]。陈志诚等[14]研究PEEK增韧AG-80树脂的弯曲性能、动态机械性能和冲击强度。结果表明：5%的PEEK对AG-80增韧效果最好，其冲击强度比未改性树脂提高421.8%。Jin等[15]合成新型PEEK聚合物[poly(p-BAB/PBP)]，并将其作为环氧树脂增韧剂。原位[poly(p-BAB/PBP)]增韧TGAP/DDS环氧树脂具有优异的力学性能、热稳定性，降低加工过程的黏度。目前PEEK主要对树脂基体增韧改性，对层合板进行层间增韧报道较少。本实验采用预浸料层间涂层和模压工艺制备PEEK增韧碳纤维/环氧树脂(CF/EP)层合板，研究PEEK对CF/EP层合板Ⅱ型层间断裂韧性和冲击强度及动态热力学性能的影响，并分析PEEK对CF/EP层合板的增韧机理，为层合板的层间增韧改性提供依据。1实验部分1.1主要原料碳纤维/环氧树脂预浸料(CF/EP)，USN 02000，树脂含量30%，威海光威复合材料股份有限公司；聚醚醚酮(PEEK)，150P，东莞市川澳工程塑胶原料有限公司。1.2仪器与设备平板硫化机，BGD，青岛博格达仪器测试公司；扫描电子显微镜(SEM)，Quanta250，美国FEI公司；电子万能试验机，Instron 5969，美国Instron公司；电子冲击试验机，XJU-5.5J，北京金盛鑫检测仪器有限公司；动态热机械分析仪(DMA)，Q800，美国TA公司。1.3样品制备按层合板质量的2%、6%和10%称取PEEK粉末，将其分散于无水乙醇中制成悬浮液，超声振荡15 min，将悬浮液均匀涂覆在预浸料表面。层间涂覆后将10层预浸料叠放入模具，采用平板硫化机模压固化，固化工艺为压力4 MPa、升温速率7 ℃/min、130 ℃/60min+160 ℃/30min。1.4性能测试与表征断裂韧性测试：按HB 7403—1996进行测试，加载速率1 mm/min，试样尺寸140 mm×25 mm×2 mm。冲击强度测试：按GB/T 1843—2008进行测试，冲击能量5.5 J，试样尺寸80 mm×10 mm×2 mm。弯曲强度测试：按GB/T 9341—2008进行测试。SEM分析：对II型层间断面喷金处理，观察断面形貌。DMA测试：样条尺寸35 mm×10 mm×2 mm，测试频率1 Hz，升温速率5 ℃/min，测试温度范围0~250 ℃。2结果与讨论2.1PEEK含量对CF/EP层合板Ⅱ型层间断裂韧性的影响图1为PEEK层间增韧CF/EP层合板的Ⅱ型载荷-位移和层间断裂韧性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.001.F001图1PEEK含量对层合板Ⅱ型载荷-位移和层间断裂韧性的影响Fig.1Effect of PEEK content on laminates model Ⅱ load-displacement and interlayer fracture toughness从图1a可以看出，层合板失效前载荷和位移呈线性关系。纯CF/EP载荷峰值最低，CF/EP/2%PEEK的载荷峰值最高，且达到峰值后曲线非线性下降，表明PEEK有效抑制裂纹失稳扩展。随着PEEK含量的增加，PEEK易发生团聚，对裂纹扩展能量吸收减弱，在较低载荷下发生断裂，因此CF/EP/PEEK的载荷峰值下降，但仍高于纯CF/EP。从图1b可以看出，层合板断裂韧性随着PEEK的含量增加先升高后降低。当PEEK含量为2%，层合板断裂韧性为1 253 J/m2，与纯CF/EP相比提高61.5%。PEEK均匀分散于层合板，起桥联作用[16]。层合板受力后，纤维对各层间裂纹限制作用减小，能够形成较完整的裂纹尖端塑性区域，使维持裂纹传递的能量被消耗，提高层合板的断裂韧性。而随着PEEK含量的增加，其在层间分布不均匀而产生应力集中现象，导致层合板断裂韧性下降。图2为纯CF/EP层合板和CF/EP/2%PEEK层合板Ⅱ型层间断裂面SEM照片。从图2可以看出，纯CF/EP断裂面存在少量剪切纹，断裂面和拔出的纤维较光滑，说明纯CF/EP以层间界面失效和基体脆性断裂为主[17]。CF/EP/PEEK层合板断裂面没有明显暴露于表面的增韧填料，说明PEEK较好地融入树脂。CF/EP/2%PEEK断裂面不光滑，纤维表面包覆较多树脂，剪切纹增多，呈现韧性撕裂。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.001.F002图2纯CF/EP层合板和CF/EP/2%PEEK层合板的Ⅱ型层间断裂面SEM照片Fig.2SEM images of fracture surface of model Ⅱ interlaminar fracture of pure CF/EP laminat and CF/EP/2%PEEK laminats2.2PEEK含量对CF/EP层合板抗弯性能的影响图3为PEEK含量对CF/EP层合板弯曲强度的影响。从图3可以看出，PEEK的加入降低层合板弯曲强度，PEEK含量增加降低碳纤维在复合材料的体积比，层间添加少量PEEK的CF/EP层合板弯曲模量比纯层合板低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.001.F003图3PEEK增韧CF/EP层合板弯曲强度Fig.3Bending strength of PEEK toughened CF/EP laminates2.3PEEK含量对CF/EP层合板冲击性能的影响图4为PEEK含量对CF/EP层合板冲击性能的影响。从图4可以看出，CF/EP/PEEK层合板的冲击强度随着PEEK含量的增加呈现先增加后降低的趋势。当PEEK含量为2%，CF/EP/PEEK层合板的冲击强度达到259 kJ/m2，比纯CF/EP层合板提高32.8%。原因是适量的PEEK起偏转裂纹的作用，吸收更多冲击能以提高冲击强度。随着PEEK用量增多，PEEK在层间发生堆叠或团聚，产生较多缺陷导致应力集中，使层合板冲击强度降低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.001.F004图4PEEK增韧CF/EP层合板冲击强度Fig.4Impact strength of PEEK toughened CF/EP laminates2.4PEEK含量对CF/EP层合板动态力学性能的影响图5为PEEK含量对CF/EP层合板动态力学性能的影响。从图5a可以看出，较低温度下(Tg)时，纯CF/EP层合板储能模量介于CF/EP/6%PEEK和CF/EP/10%PEEK层合板之间。适量的PEEK能够限制分子链及其端基运动，而PEEK含量过高降低EP的相对含量及固化程度，使层合板储能模量降低[18]。当温度升至130 ℃，CF/EP/6%PEEK和CF/EP/10%PEEK层合板储能模量均高于纯CF/EP。PEEK使树脂在玻璃转变区松弛更困难，降低因链段运动产生的摩擦损耗[19]。从图5b可以看出，CF/EP/6%PEEK和CF/EP/10%PEEK层合板的tanδ降至0.13和0.12。因为PEEK限制树脂基体链段运动，且降低树脂有效体积，填料产生损耗低于树脂链段运动的损耗[19]。PEEK含量增加使复合材料层合板整体黏性减小，弹性增大。改性层合板Tg相对稳定，CF/EP/6%PEEK和CF/EP/10%PEEK层合板的Tg分别为139 ℃和140 ℃，与纯CF/EP相比未发生明显变化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.001.F005图5层合板动态热力学性能曲线Fig.5Dynamic mechanical analysis of laminates3结论采用层间涂层和模压工艺制备CF/EP/PEEK增韧层合板。PEEK的加入有效提高层合板/PEEK的Ⅱ型层间断裂韧性和冲击强度，当PEEK含量为2%，层合板/PEEKⅡ型层间断裂韧性和冲击强度与纯层合板相比分别提高61.5%和32.8%。适量的PEEK能够提高层合板的储能模量，PEEK的加入未明显降低复合材料的Tg。