一、連續纖維/熱塑性預浸料浸漬效率提升技術路徑

1. 樹脂基體改性策略

（1）分子鏈拓撲結構設計

采用超支化聚苯醚（HB-PPE）接枝改性聚醚醚酮（PEEK），在基體中引入柔性支鏈（接枝率15%～20%），使樹脂熔體黏度在380℃時從850 Pa·s降至420 Pa·s，流動活化能降低37%。

通過反應性共混技術，在聚苯硫醚（PPS）基體中引入5 wt%的聚酰胺6（PA6）嵌段共聚物，形成微相分離結構，樹脂結晶速率提升40%，熔體延展性提高2.2倍。

（2）界面活性助劑開發

合成含雙鍵的硅氧烷-環氧嵌段共聚物（DSE），在熔融浸漬過程中原位反應形成梯度界面層，使碳纖維與PEEK的界面剪切強度（IFSS）從28 MPa提升至43 MPa。

引入納米級離聚體（磺化度15%的聚苯乙烯-co-馬來酸酐），在纖維表面形成離子交聯網絡，浸漬壓力降低30%時仍能實現樹脂對纖維束的完全滲透。

2. 纖維預處理與展纖技術

（1）等離子體-偶聯劑協同處理

采用大氣壓等離子體（功率800 W，處理時間15 s）結合γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550）接枝，使碳纖維表面能從42 mN/m提升至68 mN/m，樹脂潤濕角從102°降至28°。

通過電化學氧化在玻璃纖維表面構筑納米級溝槽結構（溝槽深度200～300 nm），結合KH-560處理，使纖維單絲拔出功提高65%。

（2）機械展纖工藝優化

開發多級展纖輥組（輥徑比1:3:5），在180℃下對碳纖維束進行漸進式展寬，展纖寬度從3 mm擴展至25 mm，纖維體積分數波動從±4%降至±1.2%。

采用超聲振動輔助展纖技術（頻率20 kHz，振幅15 μm），使纖維束內單絲間距從12 μm增加至28 μm，樹脂滲透通道截面積提升3.2倍。

二、熱塑性預浸料制備工藝參數優化

1. 熔融浸漬工藝核心參數

（1）溫度場精準控制

樹脂熔融區采用三段式溫度梯度設計：

預熱段（320℃～340℃）：消除樹脂內應力，避免熱歷史導致的降解

熔融段（360℃～380℃）：控制樹脂黏度在400～600 Pa·s，確保纖維束完全浸潤

保溫段（350℃～360℃）：消除溫度梯度引發的固化不均，停留時間誤差≤±5 s

實驗數據顯示，當熔融區溫度波動超過±3℃時，預浸料孔隙率呈指數級增長（每升高1℃孔隙率增加0.8%～1.2%）。

（2）壓力-速度協同調控

建立浸漬壓力（P）與纖維線速度（V）的動態匹配模型：

P=0.025V1.8+0.8(V∈[5,20]m/min)

當V=12 m/min時，最優壓力為2.3 MPa，此時樹脂滲透深度達纖維束直徑的92%

速度波動超過±0.5 m/min將導致浸漬前沿不連續，形成周期性孔隙缺陷

2. 新型浸漬設備開發

（1）雙螺桿-模頭耦合系統

設計同向雙螺桿擠出機（L/D=48）與狹縫模頭組合裝置，通過螺桿剪切與模頭壓力場的協同作用，使樹脂在纖維束內的填充時間從傳統工藝的8 s縮短至2.3 s。

實驗表明，采用該設備制備的PA6/碳纖維預浸料（纖維體積分數60%），孔隙率從4.2%降至0.7%，層間剪切強度達68 MPa。

（2）超聲輔助浸漬裝置

在模頭入口處集成20 kHz超聲換能器（功率密度0.8 W/cm²），通過空化效應破壞樹脂熔體表面張力，使浸漬壓力降低40%時仍能實現纖維束的完全浸潤。

微觀CT掃描顯示，超聲處理后預浸料內部孔隙形態由長條狀轉變為球形，當量直徑從50～80 μm減小至15～25 μm。

三、預浸料孔隙率多尺度調控機制

1. 孔隙缺陷形成機理

（1）樹脂相孔隙

氣體包裹型孔隙：主要源于樹脂熔體中的揮發分殘留，通過三級真空脫氣系統（壓力梯度10?³→10?? Torr）可使殘留氣體含量從0.8 vol%降至0.05 vol%。

結晶收縮孔隙：在PPS基體中引入5 wt%的成核劑（納米氧化鋁），使晶體生長速率提升60%，結晶收縮率從4.2%降至1.8%。

（2）纖維相孔隙

纖維束內孔隙：通過展纖工藝將纖維單絲間距擴大至30 μm以上，結合樹脂低黏度化（η≤500 Pa·s），使纖維束內孔隙率從3.5%降至0.3%。

纖維-樹脂界面孔隙：采用梯度界面設計（內層化學鍵合層+外層物理錨固層），使界面孔隙率從1.2%降至0.15%。

2. 孔隙率檢測與表征技術

（1）高分辨率X-CT成像

采用微焦點CT系統（分辨率5 μm）對預浸料進行三維重構，通過孔隙形態學分析發現：

孔隙當量直徑分布符合Weibull分布（形狀參數β=1.8，尺度參數η=22 μm）

孔隙連通性指數（PCI）與層間剪切強度呈負相關（R²=0.91）

（2）太赫茲時域光譜（THz-TDS）

建立孔隙率-太赫茲透射率定量關系模型：

Vv=1.25⋅(1−T/T0)1.4(T0為無孔隙參考值)

檢測靈敏度達0.05 vol%，空間分辨率優于100 μm

實驗表明，THz-TDS檢測結果與金相法對比誤差≤±0.2 vol%

四、工藝-性能-孔隙率關聯性研究

1. 孔隙率對力學性能的影響規律

（1）靜態力學性能

孔隙率每增加0.5 vol%，預浸料復合材料：

彎曲強度下降3.8%～4.2%（PA6基體）

層間剪切強度降低2.7%～3.1%（PEEK基體）

沖擊韌性衰減12%～15%（PPS基體）

實驗發現，當孔隙當量直徑＞20 μm時，裂紋擴展路徑將沿孔隙網絡傳播，導致失效模式由纖維斷裂轉變為界面脫粘。

（2）疲勞性能衰減模型

建立孔隙率-疲勞壽命的指數衰減方程：

Nf=Nf0⋅e−0.85Vv(Nf0為無孔隙基準壽命)

孔隙率從0.5 vol%增加至2.0 vol%時，PPS/碳纖維復合材料疲勞壽命下降76%

疲勞裂紋萌生壽命占比從65%降至38%，表明孔隙缺陷顯著加速裂紋擴展階段

2. 工藝參數與孔隙率的定量關系

（1）浸漬壓力-孔隙率映射

通過響應面法（RSM）建立二次多項式模型：

Vv=2.15−0.42P+0.012P2(P∈[1.5,3.0]MPa)

最優浸漬壓力為2.1 MPa，此時孔隙率理論預測值為0.63%，實驗驗證值為0.71%

壓力波動±0.2 MPa將導致孔隙率預測誤差擴大至±0.35 vol%

（2）溫度-速度協同效應

構建三維工藝參數響應面（溫度350℃～380℃，速度5～20 m/min）：

等孔隙率曲面顯示，當溫度每升高5℃時，允許的最大線速度可提升3.2 m/min而不增加孔隙率

工藝窗口優化后，PA6/碳纖維預浸料生產效率提升2.8倍，孔隙率穩定控制在0.8%以下