高强度CF_PEEK复合材料基体与界面改性设计及力学性能研究.pdf

摘要

聚醚醚酮(PEEK)是一种可以反复成型的热塑性树脂。碳纤维(CF)作为一种常

见的增强体，具有高强度、耐高温、质量轻等优点，CF增强PEEK复合材料材料

(CF/PEEK)具有优异的力学性能，在航空航天、医疗、汽车等领域应用越来越广泛。

本文以CF织物增强PEEK复合材料为研究对象，通过数据建模和有限元方法，旨

在提升CF/PEEK复合材料的强度并研究其力学性能。

本文建立了CF/PEEK复合材料材料参数-力学性能数据集，以CF质量分数、

CF种类、每股CF中单丝数量、熔融温度、成型压力、保温时间为输入，以抗拉

强度、弯曲强度、层间剪切强度为输出。针对每个输出参数，通过支持向量机、决

策树、高斯过程、集成学习四种算法分别建立数据模型，通过决定系数的比较以及

单变量预测曲线最终选择高斯过程算法建立的模型。根据优化蛙跳算法，优化设计

出复合材料选用的CF种类、每股单丝数量及其含量为T300，3K，57.024%，成

型工艺中熔融温度、成型压力、保温时间为396.5℃，2.92MPa，22.5min。

利用有限元方法模拟宏观力学试验中层合板的受力和损伤状态，用Hashin损

伤准则作为损伤判据，结果表明，在单轴拉伸模拟中，呈脆性断裂，在三点弯曲和

层间剪切模拟中，发生了分层破坏机制，提升每一层的性能有助于进一步提升复合

材料的力学性能。有限元模拟得到抗拉强度为521MPa，弯曲强度为755MPa，层

间剪切强度为103MPa。研究了基体和界面对CF/PEEK复合材料代表性体积单元

(RVE)的影响，发现随着基体弹性模量和界面结合强度的提升，复合材料等效力学

性能都有提升。

用多壁碳纳米管(MWCNTs)和聚醚酰亚胺(PEI)对基体和界面进行改性，通过

纳米压痕试验结合SEM图像选择MWCNTs浓度为1wt%，用XPS分析得到，PEI

上浆后CF表面含氧官能团数提升，可以增加界面结合强度。根据数据模型优化的

材料参数结合细观力学模型设计的基体界面改性方法制备层合板并进行力学性能

试验，得到改性后层合板的弯曲强度达到了1098MPa，比未改性的769MPa提升

了42.78%，层间剪切强度达到了100MPa，比未改性的84MPa提升了19.05%，

试验规律与模拟规律一致，实现了复合材料的高强度优化。

关键词：机器学习；有限元；CF/PEEK；高强度

Abstract

Polyetheretherketone(PEEK)isathermoplasticresinthatcanberepeatedlymolded.

Carbonfiber(CF),asacommonreinforcementmaterial,possessesadvantagessuchas

highstrength,hightemperatureresistanceandlightweight.Carbonfiber-reinforced

PEEKcompositematerials(CF/PEEK)haveexcellentmechanicalpropertiesandare

increasinglywidelyusedinaerospace,medical,automotiveandotherfields.Thispaper

focusesonCFfabricreinforcedPEEKcompositematerial,andthroughdatamodeling

andfiniteelementmethod,thepurposeistoimprovethestrengthofCF/PEEKcomposites

andinvestigatetheirmechanicalperformance.

AMaterialParameters-MechanicalPerformancedatasetforCF/PEEKcomposite

materialsisestablishedinthispaper.TakeCFma