聚合物基复合材料耐热性机理表征及提高耐热性途径.pdf

《聚合物基复合材料耐热性机理表征及提高耐热性途径.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、聚合物基复合材料耐热性：机理、表征及提高耐热性途径仲伟虹张佐光李芙蓉宋焕成(北京航空航天大学材料科学与工程系100083)摘要本文讨论了聚合物基复合材料耐热性问题．概述了聚合物基复合材料的耐热机理，并对其耐热性的表征及相应的测试方法进行了综述．归纳了提高耐热性途径。关键词聚合物基复合材料树脂基体耐热性1引言复合材料的耐热性从根本上说是基体的耐热性。作为先进复合材料的基体树脂一个关键条件必须是耐高温树脂，以保证复合材料在高温下具有良好的性能。目前，国内外应用较多的热固性树脂基体主要有环氧、双马来酰亚胺、聚酰亚胺三大类树脂体系。环

2、氧树脂由于强度和摸量高，蠕变小，化学稳定性好，与增强纤维粘结度高，以及优异的工艺性能，至今仍占树脂基复合材料的主导地位。通常环氧基体的干态工作温度可达177℃，但吸湿后工作温度在130C以下。为了适应先进复合材料需要，目前正在开发耐高温的环氧体系。如法国的Bakelite公司研究的一种固化剂，可使线型酚醛环氧树脂的t从220'C提高到360℃。据悉，日本三菱化学公司开发三种耐200℃高温的环氧树脂用作复合材料的基体树脂。双马来酰亚胺在湿态下可工作到200U以上，高速飞机气动温度超过130c，于是双马成了新型飞机结构用复合材料选

3、择的主要对象。双马基体除稳定性好，最高工作温度可达250"C，还具有吸湿性较环氧树脂低、热膨胀系数小、工艺性与环氧体系接近等特点，但其脆性大，因此以增韧型为主。我国对该类树脂的研究已取得相当的进展，如北京航空工艺研究所的QY8911及西北工业大学研制的双马体系系列等。为减轻飞机发动机的重量，提高发动机的性能，要求复合材料的基体必须具有优异的热氧化稳定性，以承受足够高的工作温度。为此，国外开发研制出了可用于316c工作的PMR--15、340"C】1作的PMR一Ⅱ一50等一系列聚酰亚胺耐高温树脂体系。由于这类含芳香环或杂环的耐高

4、温树脂难溶和加工困难，给复合材料成型工艺带来一系列问题。综上所述，热固性树脂通过不断研究和发展，正朝着综合性能优异的方向发展，并开始在飞机复合材料主承力结构中应用。在复合材料基体方面，由于热塑性树脂具有高的断裂韧性和耐冲击性能、良好的耐温性和抗湿热能力、较好的耐溶剂性和屏蔽电磁干扰性能，以及加工周期短、可以重复利用、容易修复等优点，因而在国外，热塑性树脂基复合材料的发展已在进入实用化阶769段。但是，由于热塑性复台材料的粘着性差、成型温度高等，给制造设备及工艺带来相应的困难，加上使用经验不足等原因，使它的扩大应用受到丁限制。随

5、着现代技术的发展，对树脂基复合材料作为结构件的性能要求愈加苛刻。除增强纤维外，基体性能是关键。美国Harey提出理想的基体应具备的条件是：_：1)容易制成预浸料并有较长的可用贮存期。(2)工艺上容易操作和控制质量。(3)基体在加工过程中无挥发物，固化后孔隙少。(4)在所需要的使用温度、时间内和给定环境下有良好的力学性能。(5)性能满足200～300‘(2长期使用。(6)有可以接受的价格。Brovimig指出，影响基体发展的主要因素是耐潮湿性、韧性，加工性和耐高温等综合性能不理想。随着先进复高温领域应用的比率增加，对复合材料的耐

6、热性评价问题及耐热机理研究已成为一个重要研究课题。一种新的树脂基体或新的复合材料，其耐热性关系到它的应用领域。因此有必要进行全面的耐热机理分析，进而对如何提离耐热性作一系列深入细致的研究，这对于发展和应用先进复合材料具有重大意义。2耐热机理随着温度的升高，树脂基复合材料上于基体的粘弹性而表现出力学性能的变化，如模量和强度降，尤其是受基体控制的力学性能，如剪切强度、弯曲强度和模量等，更是发生较明显的下降。究其原因，可概述如下几个方面。2．1微裂纹理论(也称缺陷理论)微裂纹的产生有两种情况：一种是由于温度升高，纤维和基体的热膨胀系

7、数的差异，导致热嘘力产生，从而产生微裂纹。特别是在界面，这个微裂纹的强度依赖于复合材料热历史和它的铺层。虽然该微裂纹对弹性常数的大小有不可察觉的影响(认为不影响)，但它可能较大程度地降低材料的强度。另一种是由于固化工艺过程中，存在气泡或杂质而产生的小缺陷，：宣个小缺陷可以认为是小裂纹，同样，随着温度的升高．其对强度的影响也是很大的。2．2分子键减弱理论高温趋向于减弱基体的分子键以及界面的分子键，同时由于分子动能增加，也会使化学键产生动摇，可能有些键就会断裂。因此这些价键的弱化作用使得在弯曲载荷下基体的稳定作用也相应地降低了，同

8、样对其它力学性能也会产生不利的影响。2．3韧性理论(也称界面理论)为了充分发挥纤维的强度优势，应选择适当的界中粘结强度和基体，使纤维在发生早期断裂时，将断121周围形成的损伤区限制在一个小范围内不再扩展，最终导致积累损伤的破坏。随着温度升高，基体韧性也会变大。若基体太弱，损伤