TC4/Cf/PEEK混杂层板中的TC4/PEEK界面微米凹坑结构强韧化机理研究

The interface toughening idea of “little initiation, slow expansion, and more energy” is presented to improve the fracture toughness of TC4/Cf/PEEK laminates which is a new generation of super hybrid laminates applied in aviation. The objective of raising the fracture toughness of TC4/PEEK interface is realized by controlling the geometry structure of micro-pits in the TC4/PEEK interface to change the crack initiation, early expansion and later fast expansion. Firstly, the responding mechanism of anodic oxidation technology and interface structure controlling is built to research the formation and growth process of micro-pits in the interface. Then the TC4/PEEK interface with high mechanical and chemical bonding strength is achieved by preparing high temperature coupling agent. Finally, the virtual crack closure technique is used to calculate the critical interface energy release rate, predict the direction of the interface crack initiation, determine the relationship between the micro-pits structure and the crack initiation direction in the interface, discuss the effect of interface structure on the crack extension distance and direction, then build the response mechanism between the interface micro-structure and fracture toughness.

以航空用新一代TC4/Cf/PEEK超混杂层板为背景，从TC4/Cf/PEEK混杂层板的断裂韧性角度考虑，提出“少萌生，慢扩展，多耗能”的界面增韧思路，通过调控TC4/PEEK界面微米凹坑几何结构来控制界面的萌生、早期扩展和后期的快速扩展，达到TC4/PEEK界面强韧化的目的。首先研究TC4表面TiO2微米凹坑的阳极氧化形成过程及生长机理，建立阳极氧化工艺和凹坑几何尺寸的响应机制，实现微米凹坑的可控生长；并针对高温服役条件调制PEEK的偶联剂成分，设计出具有机械结合和化学键结合的高界面结合强度的TC4/PEEK界面。最后，采用虚拟裂纹闭合技术计算TC4/PEEK界面裂纹的临界能量释放率并预测界面裂纹的启裂方向，确定界面微米凹坑几何尺寸与界面裂纹启裂方向的关系，讨论界面结构对裂纹扩展距离和扩展方向之间的影响，建立界面微观结构和断裂韧性的响应机制。

针对新一代航空用TC4/Cf/PEEK混杂层板，从提高混杂层板的断裂韧性角度出发，通过对TC4表面化学修饰提高TC4/PEEK界面结合强度，调控TC4/PEEK界面微米凹坑几何结构来控制界面的萌生、扩展，达到TC4/PEEK界面强韧化的目的。. 首先研究了TC4表面阳极氧化过程 TiO2氧化层的生长机理及氧化层形貌演变规律；研究阳化学接枝法（重氮盐接枝、氧化石墨烯接枝、席夫碱接枝及SPEEK偶联处理）对阳极氧化层表面修饰效果的影响，设计出在高温工作环境下能够保持高结合强度的TC4/PEEK界面；采用虚拟裂纹闭合技术确定TC4/PEEK界面微米凹坑几何尺寸与界面断裂能的关系，并通过DCB试验验证模拟结果的可靠性，建立界面微观结构和断裂韧性的响应机制。取得如下主要结果：.1、随着TC4阳极氧化时间、氧化电压和电解液温度的提高，TiO2膜孔径逐渐增加，表面膜粗糙度变大；阳极氧化处理使表面形成致密的微结构，使TC4/PEEK的界面剪切结合强度显著增加。.2、用SPEEK、氧化石墨烯、自制的重氮盐及席夫碱对阳极氧化后的TC4板进行表面修饰，提高了TC4/PEEK的界面剪切结合强度。经席夫碱修饰的界面剪切结合强度达到了47.49MPa，较仅阳极氧化处理的界面增加了53.89%；用该修饰方法制备的TC4/PEEK的界面具有良好的高温力学性能。.3、建立了具有微米凹坑几何特征的TC4/PEEK界面断裂韧性模型，发现凹坑可以延迟界面形成宏观裂纹、阻碍裂纹扩展，利于提高界面临界断裂韧性；通过光刻工艺在TC4表面制备微米凹坑，TC4/PEEK界面的DCB实验发现，随凹坑直径增大、横纵比减小、密集度增大，界面临界断裂韧性值和临界断裂载荷均先增大后减小；凹坑直径、横纵比、密集度最优值分别为400µm、8:1、4:1；试验与模拟结果误差最大值为8%。. 本项目首次提出将席夫碱、重氮盐及SPEEK用于TC4表面的化学接枝，显著提高了TC4/PEEK的界面结合强度及其高温稳定性，为提高 TC4/PEEK 界面结合强度提供了一种新途径；项目通过在TC4表面构筑微米凹坑结构，实现了“少萌生，慢扩展，多耗能”的界面增韧目的，获得了TC4/PEEK 界面结构几何参数对界面断裂韧的响应机制，为金属/高分子材料界面强韧化设计提供了一种新的思路。