三維機(jī)織物增強(qiáng)PMR型聚酰亞胺復(fù)合材料的制備、表征及粘結(jié)性能研究.pdf

1、纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度、比模量,是復(fù)合材料中最為重要的一類,其性能取決于所采用的增強(qiáng)纖維和聚合物基體,更取決于纖維和基體之間的界面結(jié)合狀態(tài)。在本文的研究中,采用了高性能的碳纖維和玄武巖纖維織造成先進(jìn)的三維結(jié)構(gòu)預(yù)制件作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體,采用最有應(yīng)用前景的聚酰亞胺這一高性能聚合物作為基體,以常壓等離子體處理碳纖維以改善界面結(jié)合狀態(tài)。用作纖維增強(qiáng)復(fù)合材料基體的耐高溫聚合物中,聚酰亞胺是具有很大發(fā)展前途的一類聚合物。三維機(jī)織

2、物是一種先進(jìn)紡織結(jié)構(gòu)的纖維預(yù)制件,使用三維結(jié)構(gòu)的纖維預(yù)制件作為聚合物基復(fù)合材料的增強(qiáng)體,是傳統(tǒng)的兩維結(jié)構(gòu)纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料易分層問題的有效解決途徑。在本論文的研究中,設(shè)計(jì)了一種浸漬/熱壓兩步法制作了三維玄武巖纖維機(jī)織物、三維玻璃纖維機(jī)織物與三維碳纖維機(jī)織物增強(qiáng)的PMR型聚酰亞胺復(fù)合材料并對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能進(jìn)行了表征。使用三維玄武巖纖維機(jī)織物和三維玻璃纖維機(jī)織物為纖維增強(qiáng)體,使用聚乙烯基酯和PMR型聚酰亞胺為基體,制作

3、了四種復(fù)合材料并測(cè)試了材料的介電常數(shù)和介電損耗,并將兩種三維玻璃纖維機(jī)織物增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料的實(shí)測(cè)介電常數(shù)與通過模型估算的介電常數(shù)進(jìn)行比對(duì)。纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的整體性能以及應(yīng)力在纖維和基體間的傳遞方式在很大程度上受纖維/基體界面結(jié)合狀態(tài)的影響。碳纖維表面的等離子體處理可以有效提高纖維/基體界面間的結(jié)合強(qiáng)度。在本論文的研究中,使用He/O2常壓等離子體對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理并對(duì)處理前后碳纖維的強(qiáng)力、表面形貌、潤(rùn)濕性能及表面化學(xué)組分

4、進(jìn)行分析,使用單纖維斷裂長(zhǎng)度實(shí)驗(yàn)方法評(píng)價(jià)了等離子體處理對(duì)碳纖維/聚酰亞胺界面結(jié)合的強(qiáng)度。1.使用3,3’,4,4’-二苯醚四酸二酐(ODPA)、4,4’-二氨基二苯甲烷(MDA)和5-降冰片烯-2,3-二酸酐(NA)制備了PMR型聚酰亞胺。對(duì)PMR型聚酰亞胺預(yù)聚物的粉末進(jìn)行了熔融流變性能測(cè)試。根據(jù)降冰片烯封端的PMR型聚酰亞胺的固化機(jī)理和預(yù)聚物粉末熔融流變測(cè)試的結(jié)果,優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種浸漬/熱壓兩步法制作三維機(jī)織物增強(qiáng)PMR型聚酰亞胺基復(fù)合

5、材料。使用三維玄武巖機(jī)織物、三維玻璃纖維機(jī)織物和三維碳纖維機(jī)織物作為增強(qiáng)體,通過浸漬/熱壓兩步法制作了三種三維機(jī)織物增強(qiáng)PMR型聚酰亞胺復(fù)合材料。2.對(duì)不同濃度的PMR型聚酰亞胺單體溶液的黏度進(jìn)行了測(cè)試并確定使用65％固含量的單體溶液來制作復(fù)合材料。使用差示掃描量熱(DSC)分析研究預(yù)聚物粉末的熱行為,并對(duì)經(jīng)歷不同升溫程序的預(yù)聚物粉末進(jìn)行傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析。使用動(dòng)態(tài)力學(xué)分析(DMA)研究了固化后PMR型聚酰亞胺的耐熱性能

6、,其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)為366℃。使用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察,并使用ASTM標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算了材料的孔隙率。使用熱失重分析(TGA)研究三種復(fù)合材料的耐熱性能,三種材料均表現(xiàn)了優(yōu)異的耐熱性能,在450℃之前沒有明顯失重,加熱到850℃,材料仍具有很高的重量保持率。測(cè)試了三維玄武巖織物增強(qiáng)PMR型聚酰亞胺復(fù)合材料的拉伸性能,其拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別為436MPa和22.7GPa。使用三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)測(cè)試三種復(fù)合

7、材料的彎曲性能,三種材料均表現(xiàn)出了多階段的逐層斷裂模式。3.以聚乙烯基酯和PMR型聚酰亞胺為基體,以三維玄武巖纖維機(jī)織物和三維玻璃纖維機(jī)織物為預(yù)制件制作了四種三維機(jī)織物增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料并使用諧振腔法測(cè)試了復(fù)合材料的介電常數(shù)和介電損耗。使用三維機(jī)織物聚合物基復(fù)合材料介電常數(shù)的理論模型對(duì)兩種三維正交玻璃纖維機(jī)織物增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的介電常數(shù)進(jìn)行估算并與實(shí)測(cè)值比對(duì),結(jié)果表明,聚乙烯基酯復(fù)合材料介電常數(shù)的估算值與實(shí)測(cè)值吻合得較好,而聚酰亞

8、胺基復(fù)合材料介電常數(shù)的估算值與實(shí)測(cè)值吻合得不大理想,分析認(rèn)為可能是加工過程中三維機(jī)織物增強(qiáng)體的變形導(dǎo)致了估算值和實(shí)測(cè)值之間較大的偏差。4.聚丙烯腈基碳纖維的表面使用He/O2常壓等離子體進(jìn)行處理,處理的時(shí)間分別為16秒、32秒和64秒。使用單纖維拉伸測(cè)試在5mm、10mm、20mm和50mm四種測(cè)試隔距下研究等離子體處理對(duì)纖維強(qiáng)力的影響,測(cè)得的數(shù)據(jù)使用Weibull分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果表明,等離子體處理對(duì)較長(zhǎng)隔距下的纖維強(qiáng)力影響不大,

9、在5mm的短隔距下纖維的強(qiáng)力反而有小幅度提高。使用掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)研究等離子體對(duì)碳纖維表面形貌的影響。SEM測(cè)試中發(fā)現(xiàn)等離子體處理對(duì)纖維表面具有一定的清潔作用,AFM測(cè)試的結(jié)果表明,纖維經(jīng)等離子體處理后表面粗糙度有所增加。對(duì)纖維表面的潤(rùn)濕性能進(jìn)行研究并評(píng)價(jià)纖維表面能的變化,經(jīng)等離子體處理后,纖維表面能增大,極化率增大。使用X射線光電子能譜(XPS)表征等離子體處理對(duì)纖維表面化學(xué)組分的影響。經(jīng)等離子體處理后

10、纖維表面的氧元素含量和含氧極性基團(tuán)的含量增加。5.使用未處理和等離子體處理不同時(shí)間后的碳纖維制作單纖維聚酰亞胺基復(fù)合材料,通過單纖維斷裂長(zhǎng)度來評(píng)估等離子體處理對(duì)纖維/基體界面結(jié)合強(qiáng)度的影響。使用偏振光顯微鏡觀察纖維在基體中的斷裂并使用攝像裝置記錄圖片。測(cè)試得到的纖維斷裂長(zhǎng)度使用Weibull分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過界面剪切強(qiáng)度(IFSS)的計(jì)算可知等離子體處理增強(qiáng)了碳纖維/聚酰亞胺基體界面的結(jié)合強(qiáng)度。16秒、32秒和64秒的處理使IFSS