关键词：热塑性复合材料；热损伤预防；激光连接工艺优化；CF/PEEK-金属界面
告别热损伤困扰！新模型为CF/PEEK等热塑性复合材料与金属的高效、高强连接保驾护航，轻量化制造迎来关键突破。
在追求极致轻量化的航空航天与汽车领域，热塑性复合材料（TPCs） 正成为炙手可热的明星材料。以碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）为代表的TPCs，不仅拥有媲美金属的强度重量比（减重潜力高达50%），更具备可回收、韧性好、抗冲击、成型周期短等革命性优势，是替代传统热固性复合材料和金属构件的理想选择。
然而，要将TPCs的潜力转化为现实，一个关键挑战横亘眼前：如何实现它们与金属部件的高效、可靠、低成本连接？传统螺栓连接增重且易应力集中，胶接则工艺繁琐、成本高昂。激光连接作为一种灵活、非接触、局部加热的先进技术，被视为理想解决方案。但TPCs的核心——热塑性树脂（如PEEK） 在高温下存在致命弱点：热降解。
痛点：热塑性树脂的“高温恐惧症”
- 怕热又怕久： PEEK虽耐高温（熔点~343℃），但在激光连接等瞬间超高温（>600℃）、极短时间（<1秒） 的极端工艺下，传统基于慢速加热（如热重分析TGA）测定的降解温度完全失效。真正的损伤临界点，是温度峰值与驻留时间（温时组合） 共同决定的复杂函数。
- 损伤后果严重： 一旦发生热降解，树脂分解产生气泡（孔隙），导致材料膨胀、分层、界面失效。实验证明，这会使连接强度暴跌高达76%！更棘手的是，连接界面区域温度最难直接测量，工艺窗口极其狭窄。
突破：为热塑性复合材料定制“数字护盾”
针对TPCs在高温短时工艺中的核心痛点，英国顶尖研究团队开发了一套革命性的数值模型框架，其核心价值在于为热塑性复合材料量身打造：
- 深度解析树脂行为： 模型创新性地引入“分解度 (α)”概念，精确量化PEEK树脂从原始状态 (α=0) 到完全热解炭化 (α=1) 的实时损伤程度。
- 破解“快热”密码： 模型首次成功整合了PEEK树脂的热分解动力学，并采用独创外推算法，精准预测了在激光连接特有的超高升温速率（>1000℃/秒） 下，树脂何时、何处、以何种程度发生降解。这是理解并保护热塑性基体的关键！
- 热-化学智能耦合： 模型实时模拟温度场变化，并据此动态更新因降解而改变的复合材料热物理性能（导热、比热、密度），实现更真实的工艺仿真。
图1 a)激光焊接过程的示意图；b)考察的对接接头配置的尺寸和网格区域[1]
图2.在检査的激光功率下与 Ti 合金激光连接后 CF/PEEK 顶部五层的全厚度温度分布[1]
图3.a)-f)在不同激光功率下，CF/PEEK与Ti合金进行激光连接后的分解程度场，g)激光连接试验后的典型热影响区(HAZ)[1]
验证：CF/PEEK连接实战告捷
研究团队以激光连接CF/PEEK与钛合金 (Ti6Al4V) 为典型案例，模型大显神威：
- 模型精准预警： 模拟不同激光功率（400W-800W）下的温度与α值。结果清晰锁定：500W是CF/PEEK热损伤的临界点！
- 安全区 (<500W)： 450W时，α值极低 (<0.0003)，PEEK树脂几乎无损，连接质量最佳。
- 危险区 (≥500W)： 500W时，α首次超过阈值 (0.012)，热损伤开始；600W时α飙升至0.59，严重损伤；800W时α达0.998，树脂几乎完全破坏。
- 实验铁证如山：
- 微观洞察 (SEM/显微镜)： 400-450W：仅表层熔化，树脂完好。500W：首现热降解孔隙！ 600W+：孔隙激增、树脂分解、纤维裸露、界面分离，触目惊心。
- 力学审判 (搭接剪切)： 450W强度登顶。500W强度下降9%。600W/700W/800W强度暴跌43%/76%/76%！强度损失与模型预测的α值及微观损伤完美对应。
- 光谱指纹 (ATR-FTIR)： 检测到PEEK降解特征峰(1711 cm⁻¹)。定量分析显示：450W降解约0.5%，500W约1.2%，1%降解是性能拐点，与模型预测(α≈0.01)高度一致。
图4.不同激光功率下CF/PEEK-Ti接头的表面[1]
图5.在激光焊接后，不同激光功率下CF/PEEK-Ti接头的横截面[1]
价值：解锁热塑性复合材料的连接潜能
这项研究的划时代意义在于为热塑性复合材料的高温应用扫清了关键障碍：
- 为TPCs定制工艺指南： 首次精准定位500W激光功率是CF/PEEK-Ti连接的热损伤红线，450W为黄金功率。为工程师提供“避坑”地图。
- 打造TPCs的通用“保护罩”： 模型框架普适性强。稍加调整，即可应用于其他TPCs（如CF/PAEK, CF/PPS）与金属的各种高温短时工艺（感应焊、电阻焊、超声波焊等），优化参数，最大化TPCs性能。
- 攻克TPCs工艺“黑箱”： 在难以实测的连接界面（TPCs最脆弱区域），模型提供了透视眼，解决了TPCs加工中的核心监测难题。
- 加速TPCs产业化进程： 为航空航天、新能源汽车等领域广泛应用高性能热塑性复合材料混合结构（TPC+金属） 铺平道路，充分发挥其轻量化、可回收、高韧性、高效率的综合优势，推动绿色智能制造。
热塑性复合材料是轻量化的未来之星，而可靠连接是其翱翔的翅膀。这项研究提供的“数字护盾”，精准守护了TPCs在高温连接中的“生命线”——树脂基体。从此，TPCs告别热损伤梦魇，在通往大规模工业应用的道路上，迈出了坚实而关键的一步！
- Gaitanelis D, Worrall C, Kazilas M. On preventing thermal damage in high-temperature joining applications of thermoplastic composites with metals[J]. Composites Part B: Engineering, 2025: 112522.
