连续碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTPCs）结合了连续碳纤维的高强度和高刚性以及热塑性聚合物基体的多功能性。根据基体类型的不同，CFRTPCs大致可分为非晶态和半晶态两类，它们各自具有由微观结晶度差异决定的不同宏观性能。与传统热固性复合材料和金属相比，CFRTPCs具有高韧性、可回收性和可焊接性等独特优势，使其在航空航天应用中越来越受欢迎[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。例如，空客公司已将热塑性复合材料应用于机翼前缘等关键部件，实现了显著的减重和燃油效率提升[6]、[7]。同样，欧洲“清洁天空”计划也在关键机身部位使用这些材料以提高性能和可持续性[8]、[9]。激光辅助自动化纤维铺设（LAFP）是一种先进的制造技术，它结合了多轴机器人控制、精确路径规划和局部激光加热来熔化热塑性树脂。在压实辊的作用下，该过程实现了原位固化，将切割、定位、铺设和压实整合为一步自动化操作，从而提高了生产效率、质量和成本效益[10]、[11]、[12]、[13]。
尽管取得了这些进展，但在LAFP过程中精确控制温度仍然至关重要。夹点处过度加热会导致树脂溢出、纤维变形和热降解，而加热不足则会导致层间粘结不良和孔隙率增加[14]、[15]、[16]。这两种极端情况都会影响界面强度和表面质量，因为结晶度也会影响对工艺监控至关重要的光学性能[17]、[18]。因此，实时温度监测对于闭环激光功率控制至关重要。热电偶可以提供准确的接触温度测量，但由于其侵入性，不适合在纤维铺设过程中进行连续监测。红外（IR）热成像提供了一种非接触式的替代方案，被广泛用于在线温度测量和无损评估[19]、[20]、[21]。然而，红外温度的准确性取决于正确的发射率设置。由于材料的发射率（即材料发射的红外辐射与完美黑体辐射的比率）介于0到1之间，并取决于材料本身的性质和加工条件[22]、[23]、[24]，因此对其估计不准确会导致较大的温度误差（见补充材料1）。在LAFP过程中，发射率校准可能会受到多种因素的影响：（1）非晶态和半晶态热塑性塑料之间的内在差异；（2）温度引起的物理状态变化；（3）相对于复合材料的IR相机观察角度的变化，以及由于层堆叠顺序导致的纤维取向角度的变化。这些因素的相互作用要求我们全面了解结晶度、温度、观察角度和纤维取向如何共同影响发射率，以实现准确的温度测量。
先前的研究已经在不同背景下探讨了发射率校准和红外温度测量的准确性。Playà-Montmany等人[25]使用黑体校准器和高级IR相机量化了环境影响，并证明当入射角度超过55°时，表观发射率会急剧下降。Höser等人[26]通过比较涂层和未涂层区域获得了岩石表面的发射率估计值，误差约为10%。也有针对光滑、热稳定表面的技术报道[27]、[28]、[29]、[30]。关于CFRTPCs发射率的研究仍然有限，但具有启发性。Adibekyan等人[31]研究了玻璃纤维增强聚合物和碳纤维增强聚合物在1–25微米波长范围内的发射率、反射率和透射率，发现了不同的光学行为和角度依赖的发射率降低现象，这有助于提高热成像缺陷检测的准确性。Meister等人[32]测量了不同温度和纤维取向下碳纤维增强低熔点聚芳醚酮层压板的相对发射率，强调了这些参数的强烈依赖性。尽管有这些努力，但对热塑性复合材料实际发射率温度依赖性的系统研究仍然有限，尤其是与物理状态演变和结晶度相关的机制。此外，目前还没有直接的方法能够在温度、观察角度和纤维取向的共同作用下测量CFRTPCs的表面发射率。了解在这些条件下物理状态变化和结晶度变化如何影响发射率对于推进基于红外热成像的激光辅助自动化纤维铺设质量控制至关重要。
本研究通过探讨温度、结晶度、观察角度和纤维取向对航空航天级热塑性复合材料发射率的影响及其背后的机制，填补了这一空白。通过将IR相机读数与嵌入式热电偶数据同步，对一系列半晶态和非晶态CFRTPCs的发射率进行了表征。这些发现随后通过傅里叶变换红外（FT-IR）光谱学和光学光线追踪模拟得到了验证。值得注意的是，这项工作首次全面比较了半晶态和非晶态基体的发射率行为，并明确量化了结晶度的影响。实验获得的发射率数据被用于LAFP过程中的IR监测校准，显著减少了温度测量误差。为了证明这种校准的有效性，对校准前后的样品进行了短束剪切测试和孔隙率测量。这项研究强调了发射率校准在实现高保真工艺监控和高质量热塑性复合材料制造中的关键作用。
