发动机用耐高温聚酰亚胺树脂基复合材料的研究进展

综述耐高温热固性聚酰亚胺树脂及复合材料的研究进展.经过近四十年的发展,形成了多种封端剂封端的热固性聚酰亚胺树脂,其中主要是降冰片烯和4-苯乙炔基苯酐封端聚酰亚胺,长期使用温度涵盖280 ～ 450℃的聚酰亚胺树脂及其复合材料体系.低成本、高韧性和有机无机杂化聚酰亚胺树脂基复合材料将是聚酰亚胺复合材料发展的主要方向.     

高性能树脂基体的最新研究进展

高性能热固性树脂是航空航天、交通及微电子等领域重要的基础材料。本文论述了国内外主要的高性能热固性树脂,如双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂、氰酸酯树脂、邻苯二甲腈树脂、聚三唑树脂和有机/无机杂化树脂的研究和应用现状,并提出相应的发展趋势。     

笼型倍半硅氧烷（POSS）的官能化、杂化以及在改性环氧树脂中应用研究进展

笼型倍半硅氧烷(polyhedral oligomeric silsesquioxane,POSS)具有独特的结构和良好的耐热性,对POSS进行官能化后可得到高性能的新型有机-无机杂化材料,在很多领域具有潜在应用价值。本文综述了POSS的合成、官能化的相关问题。POSS的种类很多应用范围广泛,但是价格相对昂贵,限制了POSS在许多领域内的发展规模;POSS可作为环氧树脂的改性剂,具有明显的增强、增韧效果,并显著提高固化环氧树脂的耐热性能,但是由于POSS的纳米尺寸效应,导致其在树脂中的添加量有限。未来随着POSS合成成本的降低、改性树脂手段的不断进步,POSS在热固性树脂改性领域应用范围必将不断扩大。     

溶胶-凝胶法制备SiO2 -TiO2 / 聚酰亚胺杂化材料及其性能

采用溶胶-凝胶法制备了纳米SiO2-TiO2溶胶,然后通过共混法制得SiO2-TiO2/聚酰亚胺杂化材料,SEM、DMTA和TGA等方法研究了无机组分的含量对聚酰亚胺性能的影响。结果表明:SiO2-TiO2/聚酰亚胺杂化材料的冲击强度和弯曲强度随无机粒子含量变化而变化,当无机粒子含量为3%(质量分数)时二者出现最大值,其冲击强度较纯树脂提高了177%,弯曲强度提高了54.6%。另外,随着SiO2-TiO2无机材料的增加,杂化材料热稳定性亦有所提高。     

氧化石墨烯/多面体低聚倍半硅氧烷增强双马树脂合成及其性能表征

在酸掺杂条件下，原位合成了多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）插层氧化石墨烯（GO）的GO/POSS_C-I复合材料。通过SEM、XRD、IR等手段对合成材料进行表。征结果表明，大量具有核-壳结构的无机-有机杂化POSS纳米粒子插层至片层结构GO表面。在增强双马树脂固化过程中，GO/POSS_C-I良好分散于双马树脂基体中形成黑色均匀固化物。DMA试验结果表明，GO/POSS_C-I增强粒子对基体中有机碳链运动形成了显著的限制作用，提升材料热稳定性能，最佳玻璃化转变温度相比未增强双马树脂提升约127 ℃；同时，GO/POSS_C-I能够通过裂纹钝化或拨出效应，增强材料力学性能，弯曲强度和弯曲模量相比未增强双马树脂分别提升16.5 %和3.4 %。     

聚甲基苯基硅氧烷涂层对高硅氧纤维/磷酸盐性能的影响

采用涂覆有机-无机杂化涂层的方法对高硅氧纤维(HSGF)进行表面改性.涂覆前后的纤维表面特性采用XPS和AFM进行表征;采用浸泡法腐蚀实验研究了涂层对HSGF耐酸腐蚀能力的影响;通过测试界面剪切强度(IFSS)评价了复合材料的界面粘结性能,并测试了涂层前后HSGF及其增强磷酸盐基复合材料力学性能.结果表明,聚甲基苯基硅氧烷(PSI)涂层可有效地保护高硅氧纤维,阻碍磷酸盐基体/高硅氧纤维之间的界面反应,降低磷酸对其的腐蚀速率,调节界面结合程度,使复合材料弯曲强度比未处理试样提高32%.     

新型杂化浆料的合成及其对碳纤维／异构聚酰亚胺复合材料性能的影响

通过合成新型改性剂--(γ-苯乙炔亚胺基)丙基三乙氧基硅烷(PEIPTES)实现对SiO2前驱体的原位改性,制备新型异构聚酰亚胺/SiO2杂化浆料,利用元素分析、FT-IR、热重分析等对PEIPTES的结构和性能以及新型杂化浆料的结构进行表征与分析.结果表明,杂化浆料中有机相与无机相之间形成化学键.利用该杂化浆料对碳纤维表面进行改性.AFM分析表明,改性后碳纤维表面覆盖一层有纳米级颗粒状突起的物质,增加表面粗糙度,有利于改善复合材料界面性能.复合材料力学性能研究表明,杂化浆料可提高碳纤维/异构聚酰亚胺复合材料的层间剪切强度,当SiO2含量为5wt%时层间剪切强度达到最大值,此时冲击性能和界面耐热性能均有显著提高.     

纤维表面涂层对碳纤维/聚芳基乙炔性能的影响

为提高碳纤维/聚芳基乙炔(CF/PAA)复合材料的性能,采用不同种类的涂层(环氧,硅氧烷和倍半硅氧烷)对碳纤维(CF)进行表面改性。通过复合材料的短梁弯曲和热氧老化试验表征不同涂层的改性效果。层间剪切强度(ILSS)结果表明,倍半硅氧烷涂层具有最好的处理效果。热氧老化测试结果表明,倍半硅氧烷涂层适用于耐热树脂体系。这种涂层可以通过改变官能团适应不同树脂体系复合材料的界面改性。     

多乙烯基硅氧烷笼形倍半硅氧烷的合成及性能

采用三氯硅烷水解缩合法合成了含八氢基的笼形倍半硅氧烷(T8H8),并用T8H8合成了多乙烯基硅氧烷笼形倍半硅氧烷(DVS-POSS)树脂,采用Fr-IR、1H-NMR、29Si-NMR等手段对其结构进行了表征;探讨了T8H8与二乙烯基硅氧烷(DVS)的加成反应.研究表明,固化的DVS-POSS具有良好的耐热性能,T醖超过530℃;DVS-POSS树脂复合材料具有优良的介电性能,在9.75 MHz下,ε为3.02,tgδ为2.4×10-3.     

RTM成型用聚酰亚胺树脂及其复合材料研究进展

聚酰亚胺复合材料因其优异的耐高温性能和机械性能，在航空航天领域获得了广泛应用，但复杂、高成本的热压罐成型工艺难以满足聚酰亚胺树脂基复合材料快速加工成型，限制了其进一步的应用。本文综述了适用于树脂传递模塑成型（RTM）技术的聚酰亚胺树脂及其复合材料的研究现状与发展趋势，重点论述了苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂及其复合材料的国内外研究情况，提高RTM技术成型聚酰亚胺树脂及其复合材料耐温等级的同时保持低充模黏度和高韧性将会是重要的发展方向。     

有机-无机Nano-SiO2/DCPDCE杂化材料的性能

为解决传统商用nano-SiO2粒子在双环戊二烯型氰酸酯(DCPDCE)树脂基体中容易团聚的问题,利用Sol-Gel法制备的有机-无机nano-SiO2为填料对DCPDCED进行改性。研究了有机-无机nano-SiO2含量对nano-SiO2/DCPDCE杂化材料力学性能、介电常数、介电损耗因子的影响。结果表明:有机-无机nano-SiO2较商用nano-SiO2在DCPDCE中分散更优;当有机-无机纳米SiO2含量为3.0wt%时,杂化材料的综合性能最优。     

混杂难熔金属C/C复合材料中金属与碳反应初步研究

研究了碳纤维难熔金属纤维混杂增强碳基体复合材料中难熔金属与碳之间的化学反应.结果表明,条件不同,难熔金属W丝、Ta丝与不同形式碳的反应程度、反应产物及结构有很大的区别.低温区,难熔金属与碳不发生明显化学反应,中温区W丝可与气态的碳氢气体发生轻微化学反应,高温区W丝、Ta丝可与固态沥青碳以及碳纤维发生反应.通过控制反应条件,可以得到难熔金属纤维碳纤维混杂增强碳基体、含难熔金属碳化物的难熔金属纤维碳纤维混杂增强碳基体和难熔金属碳化物纤维碳纤维混杂增强碳基体复合材料.     

超高分子量聚乙烯纤维/碳纤维混杂复合材料研究

研究了在层内和层间两种混杂方式下,T300与表面处理前后的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维混杂复合材料的弯曲强度和ILSS的变化,结果表明层间混杂复合材料的黏结性比层内混杂好。在相同的混杂方式下,采用未处理的DC88纤维、合成的VE树脂,混杂复合材料的ILSS比E 51体系提高25%以上。采用VE树脂和处理后DC88/T300层间混杂,控制含胶质量在40%时,ILSS达到42.5MPa,是未处理的DC88/E 51体系的ILSS的5倍。混杂复合材料密度在1.12～1.24g/cm³之间,在航空航天结构材料减重上有良好的应用前景。     

PMR型增韧聚酰亚胺的制备与性能研究

制备了系列PMR型聚酰亚胺基体树脂以及碳纤维增强复合材料(HFPI),系统研究了PMR型聚酰亚胺HFPI基体树脂及复合材料性能.制备的PMR型聚酰亚胺HFPI基体树脂溶液具有良好的储存稳定性,室温下可以存放4个月,不产生沉淀;PMR型聚酰亚胺HFPI基体树脂具有良好的成型性以及优异的热稳定性,热分解温度高达540℃、玻璃化转变温度达到290℃(DMA)、热膨胀系数在40～50ppm/℃之间、较低吸水率(1.0%～1.7%)、优异力学性能;用短切碳纤维增强HFPI,基体树脂与碳纤维具有良好黏附性,制备的复合材料除了具有良好加工成型性能外,更具有优异力学性能,拉伸强度高达107.3MPa,断裂伸长率为5.73%,弯曲强度和弯曲模量分别高达159.8MPa,6.11GPa.     

M40-T300／BADCy混杂复合材料的研究

利用单向铺层模压工艺制备了M40-T300/BADCy单向层内和层间混杂复合材料,研究了混杂方式、混杂比及铺层顺序对混杂复合材料的拉伸性能、弯曲性能及层间剪切性能的影响规律.结果发现,层内混杂复合材料的性能介于两种单一复合材料之间,T300纤维含量越高,强度越大,M40纤维含量越高,则模量越大.以T300纤维为芯层,M40纤维为外层的层间混杂复合材料([(M40)1/(T300)3]s)具有与M40/BADCy复合材料相近的弯曲模量及与T300/BADCy复合材料相近的层间剪切强度,适合作为航天飞行器结构材料使用.     

混杂纤维复合材料吸湿行为研究

 本文采用80℃水浸的方法,研究了不同类型混杂复合材料层压板的吸湿行为,找到描述混杂复合材料吸湿规律方程。同时,从理论上对混杂复合材料的平衡吸湿量及湿扩散系数进行了分析,建立了数学表达式,理论与实验较好吻合。     

玄碳混杂增强树脂基复合材料混杂比优化设计

对碳纤维-玄武岩纤维混杂增强树脂基复合材料最优混杂比范围进行研究。以碳纤维与玄武岩纤维平纹织物为增强体,制备9种具有不同混杂比的混杂纤维复合材料(Hybrid Fiber Reinforced Polymer,HFRP)试样,并进行拉伸实验。依据平纹织物结构特点,计算得出平纹织物单胞性能参数,在ANSYS中,以SHELL181壳单元体建立HFRP有限元模型。该模型对试样刚度的模拟值与实验值近似。分析模型受力时的应力云图发现,存在将HFRP破坏形式分为一次破坏与二次破坏的临界混杂比。有限元模拟研究树脂含量为45%时,不同混杂比的HFRP刚度、强度和拉伸极限应变。当混杂比为60%时,可保证HFRP强度无折减的情况下,较玄武岩复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)刚度提高93.4%,较碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)拉伸极限应变提高11.3%。     

可熔体加工热塑性聚酰亚胺研究进展

从发展航空航天、微电子、汽车及电器等高技术领域先进材料的角度，阐述了可熔体加工热塑性聚酰亚胺的发展现状和最新进展；报告了热塑性聚酰亚胺的挤出成型、注射成型、纺丝、涂覆等工艺；讨论了热塑性聚酰亚胺的分子结构对聚酰亚胺热性能的影响；介绍了几种最新热塑性聚酰亚胺的特点和典型应用实例；指出开发新型热塑性聚酰亚胺应综合考虑可加工性、耐热性、成本以及原料来源。     

树脂基三维机织复合材料结构与力学性能的关系研究

通过拉伸、弯曲、压缩等实验,评价了4种不同结构的三维机织角联锁织物增强的碳/树脂基复合材料结构与力学性能的关系.结果表明:对于纤维体积含量相近的4种不同结构的3D机织复合材料而言,它们之间的拉伸、弯曲、压缩性能差异很大,在2倍左右;衬经纱和衬纬纱可以显著改善力学性能;纤维与树脂之间的界面破坏-脱粘是3D机织复合材料最先发生失效的形式;带衬经衬纬的No.1结构复合材料的综合力学性能最佳.可以推断,改进界面结合力能大大提高3D机织复合材料的力学性能.     

单一及混杂的多向复合材料热膨胀系数的研究及零膨胀的设计

对多向复合材料(包括单一及混杂纤维复合材料)在室温至150℃温度范围内的热膨胀性能进行研究,推导了热膨胀系数(CTE)的理论计算公式,对零膨胀的多向复合材料的铺层设计进行了探讨,并对部分零膨胀复合材料铺层结构进行了预测,其结果与实验值基本吻合。