纖維增強(qiáng)熱塑性聚酰亞胺性能研究.pdf

1、進(jìn)入二十一世紀(jì)，面對世界范圍內(nèi)的科學(xué)、技術(shù)革命，以高性能材料為代表的各類高新技術(shù)行業(yè)迫切需要走專業(yè)化、市場化及規(guī)模化道路。其中以聚酰亞胺為代表的先進(jìn)聚合物綜合性能更高，在眾多領(lǐng)域得到廣泛的研究和應(yīng)用。聚酰亞胺是主鏈中含有酰亞胺環(huán)結(jié)構(gòu)的一類聚合物，其中主鏈以芳環(huán)、雜環(huán)為主要結(jié)構(gòu)單元的芳香族聚酰亞胺最為重要。由于聚酰亞胺具有高強(qiáng)度、高模量、耐輻射、電絕緣等優(yōu)點，其在航空航天、電子、信息等工業(yè)領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色。
　　 傳統(tǒng)熱

2、固性聚酰亞胺不溶不熔，因而其成型性能差，加工困難，一般都要采用特殊的加工方法成型，從而增加了制造成本，限制了應(yīng)用范圍。為了改善聚酰亞胺的加工性能，降低成本，擴(kuò)大應(yīng)用，開發(fā)熱塑性聚酰亞胺(TPI)成為重中之重。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出了多種可熱塑加工的聚酰亞胺品種。但相對復(fù)合材料，純聚酰亞胺材料具有熱變形大，高溫力學(xué)性能下降快等缺點，通常需對其改性，以進(jìn)一步提高性能、擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域。
　　 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是聚合物復(fù)合材料

3、中最重要的一種，結(jié)合纖維的特性，可有效提高聚合物復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛性、抗蠕變性和耐高溫性能，并保留其低密度特點。為此，本文以國內(nèi)自主開發(fā)的熱塑性聚酰亞胺為研究對象，采用纖維增強(qiáng)聚酰亞胺，并結(jié)合其加工特性和實際工況要求，考察了材料力學(xué)性能、熱性能、摩擦磨損及耐高溫性能。具體工作如下：
　　 (1)選用具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、低熱膨脹等特點的碳纖維為增強(qiáng)材料，根據(jù)熱塑性聚酰亞胺的加工特點采用同向雙螺桿擠出制備

4、了CF/TPI復(fù)合材料，并分別采用注射和熱模壓的成型方法制備了復(fù)合材料試樣，考察了復(fù)合材料中纖維含量、表面性質(zhì)以及纖維分布對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：CF的加入能顯著提高TPI復(fù)合材料高低溫力學(xué)性能，并且隨CF含量的增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能顯著提高。成型方法對CF/TPI的力學(xué)性能和熱性能也有著顯著的影響。注射工藝中纖維沿流動方向可以產(chǎn)生較高的取向，在受力情況下可以很好地起到承載作用，其復(fù)合材料的拉伸、彎曲及沖擊強(qiáng)度均優(yōu)于熱模壓

5、成型試樣，并且在注射流動方向表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫尺寸穩(wěn)定性。
　　 (2)選用低成本、隔熱和電絕緣性能優(yōu)良的玻璃纖維為增強(qiáng)材料，采用熱模壓的方法制備了聚酰亞胺復(fù)合材料?？疾炝硕糖胁ＡЮw維、玻璃纖維粉和玻璃微珠三種不同形態(tài)增強(qiáng)材料改性TPI復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱性能和摩擦磨損性能。結(jié)果表明：采用短切玻璃纖維增強(qiáng)的TPI復(fù)合材料具有較好的剛性和力學(xué)強(qiáng)度，其強(qiáng)度、剛性基本均隨填充量的增加呈線性上升趨勢；同時該體系具有最低的線膨脹系數(shù)。而玻

6、璃微珠和玻璃纖維粉填充復(fù)合材料未能體現(xiàn)增強(qiáng)效果，復(fù)合材料強(qiáng)度下降；并且隨著填充量的增加，體系剛性先下降后上升，熱膨脹系數(shù)則出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象。摩擦磨損性能表明三種形態(tài)填充材料均能提高復(fù)合材料耐磨損性能。比較三種填充體系，隨著長徑比增大復(fù)合材料性能有所提高。三種玻璃質(zhì)填充材料與TPI樹脂基體界面結(jié)合都較差，所制得復(fù)合材料界面有明顯的空隙存在，并且填充材料尺寸越小，復(fù)合材料內(nèi)部空隙率越大。
　　 (3)針對玻璃質(zhì)填料與TPI相容

7、性差及熱膨脹存在差異，易于在復(fù)合材料界面處形成空隙和內(nèi)應(yīng)力。探討了GF/TPI復(fù)合材料高溫力學(xué)性能；并研究了熱處理工藝對GF/TPI性能的影響，分析了其作用機(jī)理。結(jié)果表明：與常溫力學(xué)性能相反，在高溫條件下，GF/TPI顯示出了良好的增強(qiáng)效果，并且隨GF含量的增加，其作用效果越明顯；并且熱處理也可有效釋放復(fù)合材料內(nèi)應(yīng)力，提高材料高溫力學(xué)性能；此外，采用“Tr-n”模型能較好地預(yù)測GF/TPI體系高溫力學(xué)性能的變化規(guī)律。
　　 (4

8、)針對GF與TPI相容性差，所制得復(fù)合材料界面間有明顯空隙存在，直接影響復(fù)合材料性能。選用了三種不同分子結(jié)構(gòu)的硅烷偶聯(lián)劑KH550、KH560、KH570對玻璃纖維進(jìn)行處理，用以填充TPI復(fù)合材料。考察了偶聯(lián)劑種類、用量對GF/TPI力學(xué)性能、摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明：由于KH550、KH570改性GF與TPI具有較好的相容性，復(fù)合材料界面結(jié)合良好，而KH560效果較差。與KH550相比，KH570分子鏈結(jié)構(gòu)中含有柔性雙鍵，所制得復(fù)