熱塑性基體聚苯硫醚(PPS)及其航空復(fù)合材料的強(qiáng)韌化與結(jié)晶結(jié)構(gòu)調(diào)控.pdf

1、聚苯硫醚（polyphenylene sulfide, PPS）因具有高強(qiáng)度、高模量、很強(qiáng)的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)作為高性能特種工程樹(shù)脂被用于航空復(fù)合材料基體。但是，以PPS基為代表的熱塑性碳纖維（carbon fiber, CF）復(fù)合材料相對(duì)于熱固性復(fù)合材料的強(qiáng)度較低，需要進(jìn)一步提高才能替代熱固性材料在航空領(lǐng)域大規(guī)模使用。纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的力學(xué)薄弱點(diǎn)在于界面和基體，本論文通過(guò)對(duì)PPS結(jié)晶結(jié)構(gòu)的調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)PPS基體的強(qiáng)

2、韌化，最終建立高強(qiáng)度PPS/CF復(fù)合材料的成型方法。取得的主要研究結(jié)果如下。
　　采用壓力誘導(dǎo)流動(dòng)（Pressure-induced flow, PIF）成型方法對(duì)PPS樹(shù)脂基體進(jìn)行強(qiáng)韌化改性處理，討論了成型溫度和壓力等工藝參數(shù)對(duì)PPS綜合力學(xué)性能及結(jié)晶結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種方法可以顯著提高PPS的強(qiáng)度和韌性。當(dāng)成型溫度為210℃、成型壓力為615MPa、壓縮比達(dá)到3.0時(shí)，PIF成型PPS的綜合力學(xué)性能提高幅度最大，

3、拉伸強(qiáng)度由原來(lái)的85.17MPa提升至186.42MPa，沖擊強(qiáng)度由原來(lái)的37.42kJ/m2提升至81.29kJ/m2。通過(guò)掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）、示差掃描量熱分析儀（ Differential Scanning Calorimetry, DSC）、同步輻射小角X射線(xiàn)散射和衍射（Small Angle X-ray scattering and diffraction, SA

4、XS and WAXD）等檢測(cè)手段對(duì)其微觀形貌和結(jié)晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)在PIF成型過(guò)程的應(yīng)力場(chǎng)和剪切場(chǎng)下，PPS中片晶發(fā)生破碎、取向和有序排列，這些破碎的晶粒折疊鏈沿流動(dòng)方向（flow direction, FD）取向，重新排列形成有序?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，但保持原有的結(jié)晶度和熔點(diǎn)。在PIF成型PPS中，晶區(qū)和非晶區(qū)的薄弱界面沿FD方向取向，導(dǎo)致材料斷面布滿(mǎn)沿FD方向擴(kuò)展的銀紋和空穴，斷裂表面大幅增加，呈現(xiàn)韌性的斷裂微觀形貌。這是PPS材料韌性和強(qiáng)

5、度提高的主要原因。
　　為了將PIF成型法用于PPS基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化，而避免固態(tài)流動(dòng)中可能引起的CF-PPS界面破壞、CF折斷等問(wèn)題，對(duì)PIF成型法進(jìn)行改進(jìn)，使塑性形變發(fā)生于材料的結(jié)晶過(guò)程中，稱(chēng)之為降溫PIF成型法。研究結(jié)果表明，降溫PIF成型法也可以提高PPS材料的力學(xué)性能，當(dāng)以42.14℃/min的降溫速率降至成型溫度150℃，成型壓力為320MPa、壓縮比達(dá)到1.69時(shí)，材料的綜合力學(xué)性能達(dá)到較高值，其中拉伸強(qiáng)度達(dá)120.

6、26MPa，沖擊強(qiáng)度為40.21kJ/m2，相比較未經(jīng)處理的材料分別提高了40％和10%。成型溫度為270℃時(shí)，材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度相比較未經(jīng)處理的材料分別提高了15%和33%。適當(dāng)提高降溫速率可使PPS形成較小晶粒，經(jīng)過(guò)降溫PIF成型后，PPS片晶的c軸沿著FD取向，在材料中形成了多級(jí)薄弱界面，這使得材料具有更高的強(qiáng)度。降溫PIF成型法使材料形成較小的晶粒，和PIF成型法制備的PPS相比，更不容易沿FD變形取向。因此，降溫PIF成

7、型法對(duì)材料綜合力學(xué)性能的提高幅度不及PIF成型法。盡管如此，這種方法成型材料的強(qiáng)度和韌性仍比未經(jīng)PIF強(qiáng)韌化處理的材料有顯著提高。
　　本論文進(jìn)而探索了將PIF成型方法應(yīng)用于短CF及紡織結(jié)構(gòu)碳纖維（carbon fiber fabric, CFF）增強(qiáng)PPS復(fù)合材料的可能性。結(jié)果表明，PIF成型PPS/CF斷面中的CF與PPS樹(shù)脂基體的界面結(jié)合良好，并無(wú)明顯破壞，基體中富含銀紋和空穴，呈現(xiàn)韌性斷裂形貌。當(dāng)成型溫度為240℃、成型壓