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耐低温预浸料树脂体系设计与复合材料评价及增韧机制研究

发布时间:2017-09-26 14:23

  本文关键词:耐低温预浸料树脂体系设计与复合材料评价及增韧机制研究


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【摘要】:为满足太空中苛刻环境要求,碳纤维复合材料贮箱需具备良好耐高低温性能(液氮温度为-196℃,运载器进入大气层时温度139℃)。为了提升环氧树脂基体的低温韧性,同时满足热熔预浸料树脂体系的工艺要求,亟需开展对耐低温预浸料用环氧树脂体系的分子设计研究。本论文采用热塑性塑料增韧改性环氧树脂基体,开发了耐低温用树脂体系,并应用于热熔法碳纤维预浸料的制备,实现了改善低温韧性与预浸料工艺制备的统一。1.比较了不同热塑性塑料增韧树脂体系的低温韧性、高低温性能和微观形貌。与聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚酮(PEK)、杂萘联苯聚芳醚砜(PPES)相比,聚醚砜(PES)可添加的最大用量相对较高,对树脂体系低温韧性和耐低温性能的提升更明显。微观形貌表明PES与环氧树脂相容性较好,形成了半互穿网络结构。2.考察了不同用量PES增韧树脂体系低温性能、微观形貌,提出了增韧机制模型。结果表明,随PES用量增加,体系低温韧性逐渐提升,其中当PES用量为40份时,增韧树脂体系(EP/PES40体系)在-196℃的冲击强度和断裂韧性分别提升了27%和169%;同时次级转变温度(Tβ)向低温方向移动、低温线膨胀系数(CLTE)逐渐提高、断面上脊状突起越来越明显。低温增韧机制模型表明,PES在低温下通过减弱空间位阻效应、增大自由空间和自由体积,提升体系中柔性链段的运动能力和空间,增强了树脂基体塑性形变的能力。3.选用EP/PES40树脂体系,分析了粘温曲线和凝胶时间,设计了热熔法制备工艺,并制备了T800碳纤维预浸料,评价了复合材料的低温层间断裂韧性、界面剪切强度和微观形貌。与25℃时相比,低温下Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性(GⅠC和GⅡC)分别提高了30%、23%,层间剪切强度(ILSS)提高了77%,表明材料在低温下具有良好的抑制层合分离的能力。“波纹状”特征与梳状结构的微观形貌表明了复合材料在低温下的增韧机制:韧性树脂基体通过引导裂纹偏转、增大塑性区域面积阻碍裂纹扩展,树脂基体与碳纤维间优良的界面作用促进了应力的有效传递。
【关键词】:预浸料 环氧树脂 增韧 热塑性塑料 聚醚砜
【学位授予单位】:北京化工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TQ323.5;TB332
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-15
  • 符号说明15-16
  • 第一章 绪论16-28
  • 1.1 耐低温预浸料的研究进展16-17
  • 1.2 耐低温预浸料用树脂体系的进展17-23
  • 1.2.1 耐低温环氧树脂基体17-18
  • 1.2.2 耐低温环氧树脂体系的增韧研究18-23
  • 1.2.2.1 碳纳米管18-19
  • 1.2.2.2 超支化聚合物19
  • 1.2.2.3 橡胶粒子19
  • 1.2.2.4 柔性链聚合物19-20
  • 1.2.2.5 热塑性塑料20-23
  • 1.3 预浸料的制备方法23-24
  • 1.4 耐低温预浸料树脂及预浸料的性能评价24-26
  • 1.4.1 耐低温预浸料树脂的性能评价24-25
  • 1.4.2 耐低温预浸料的性能评价25-26
  • 1.5 本课题研究内容及意义26-28
  • 第二章 耐低温预浸料树脂体系的设计与评价28-44
  • 2.1 实验部分28-32
  • 2.1.1 实验原材料及仪器28-30
  • 2.1.2 实验步骤30-31
  • 2.1.2.1 耐低温增韧树脂体系的设计30-31
  • 2.1.2.2 增韧体系样条的制备31
  • 2.1.3 表征方法31-32
  • 2.2 结果与讨论32-43
  • 2.2.1 不同热塑性塑料对树脂体系冲击强度的影响32-34
  • 2.2.2 不同热塑性塑料增韧树脂体系的比较34-43
  • 2.2.2.1 冲击强度35-36
  • 2.2.2.2 断裂韧性(K_(IC))36-37
  • 2.2.2.3 低温特性37-39
  • 2.2.2.4 耐热性能39-41
  • 2.2.2.5 微观形貌41-43
  • 2.3 小结43-44
  • 第三章 聚醚砜增韧低温树脂体系的性能评价及增韧机制研究44-58
  • 3.1 实验部分44-47
  • 3.1.1 实验原材料及仪器44-45
  • 3.1.2 实验步骤45
  • 3.1.3 表征方法45-47
  • 3.2 结果与讨论47-56
  • 3.2.1 聚醚砜增韧树脂体系的低温韧性47-50
  • 3.2.1.1 冲击强度47-48
  • 3.2.1.2 断裂韧性(K_(IC))48-50
  • 3.2.2 聚醚砜增韧低温树脂体系的增韧机制研究50-56
  • 3.2.2.1 低温次级转变50-51
  • 3.2.2.2 线膨胀系数(CLTE)51-52
  • 3.2.2.3 低温形貌观察52-54
  • 3.2.2.4 低温增韧机制模型54-56
  • 3.3 小结56-58
  • 第四章 耐低温预浸料的制备及低温性能研究58-72
  • 4.1 实验部分58-63
  • 4.1.1 实验原材料及仪器58-59
  • 4.1.2 实验步骤59-60
  • 4.1.3 表征方法60-63
  • 4.2 结果与讨论63-69
  • 4.2.1 热熔法制备预浸料的工艺研究63-65
  • 4.2.1.1 粘度-温度曲线63-64
  • 4.2.1.2 凝胶时间-温度曲线64-65
  • 4.2.2 耐低温复合材料低温性能评价65-68
  • 4.2.2.1 Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性(G_(ⅠC)和G_(ⅡC))65-67
  • 4.2.2.2 层间剪切强度(ILSS)和弯曲强度67-68
  • 4.2.3 耐低温复合材料低温增韧机制研究68-69
  • 4.3 小结69-72
  • 第五章 结论72-74
  • 参考文献74-80
  • 致谢80-82
  • 研究成果及发表的学术论文82-84
  • 导师和作者简介84-85
  • 北京化工大学专业学位硕士研究生学位论文答辩委员会决议书85-86

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本文编号:923990

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