高性能碳纤维增强耐高温BMI复合材料的研制与性能研究

发布时间：2020-07-28 19:28

【摘要】：双马来酰亚胺(BMI)树脂作为一种高性能复合材料基体,因其具有优良的耐热性和优异的工艺性而被广泛应用于航空航天领域。但由于BMI树脂固化物交联密度高、脆性大,其应用受到一定限制。近年来,国内已成功研制出T800级高强中模和M40J级高强高模碳纤维,面对航空航天领域对高性能耐高温复合材料的需求,需进一步研发能与两种新型国产高性能碳纤维匹配的耐高温BMI树脂体系。通过向聚芳醚砜(PES)分子链上引入咪唑结构单元,合成了一种改性共聚物作为耐高温BMI树脂的增韧剂。采用差示扫描量热法(DSC)与热重分析(TGA)测试表征了产物的耐热性能和力学性能。结果表明:引入咪唑结构不影响共聚物溶解性;随着咪唑结构的增加,共聚物的耐热性能不断提升,玻璃化转变温度(T_g)最高达到350℃;共聚物的拉伸模量随咪唑结构的增加而增加,但是拉伸强度随咪唑结构的增加呈现出先升高后降低的趋势。通过浆料混合法,以改性PES作为增韧剂制备了耐高温BMI树脂,采用扫描电子显微镜(SEM)对树脂的聚集态结构进行了表征,通过流变测试评价了改性树脂的工艺性,通过动态力学分析(DMA)表征了树脂的耐热性能,并测试了树脂浇铸体的力学性能。结果表明:研制的耐高温BMI树脂工艺性良好,满足预浸料工艺以及热压罐成型工艺对树脂黏性及流动性的要求;在树脂固化过程中增韧剂通过相分离机制在微观上形成分相结构,增韧效果良好,当加入的增韧剂含量为15 phr时,树脂浇铸体的冲击韧性提升了57.7%。对耐高温BMI树脂制备的预浸料进行储存老化行为研究,并通过DSC、流变、红外光谱(FT-IR)对老化前后的预浸料进行表征,同时对比研究了预浸料储存老化前后复合材料的力学性能。结果表明:预浸料在室温下的工艺期约为40 d,隔绝O_2环境下其工艺期可延长至56 d,储存老化的原因是预浸料在室温空气环境下发生了轻度的交联反应,并且空气中的O_2对交联反应有促进作用。复合材料力学性能测试结果表明:预浸料储存老化后复合材料内部孔隙增加,弯曲强度下降13.0%,弯曲模量下降6.5%,层间剪切强度下降10.7%。通过SEM、原子力显微镜(AFM)、微脱粘实验等手段对CCF800H与ZM40J碳纤维界面性能进行表征,将两种纤维分别与树脂A(传统热塑性增韧BMI树脂)和树脂B(本文研制的改性PES增韧BMI树脂)进行复合,制备预浸料和复合材料,并对复合材料力学性能进行测试表征。结果表明:CCF800H碳纤维表面粗糙度和表面化学活性均优于ZM40J碳纤维,CCF800H碳纤维具有更高的界面剪切强度。B树脂与国产高性能碳纤维匹配性良好,各项关键力学性能都达到了较高的水平。耐高温BMI树脂基复合材料的T_g约330℃,复合材料在280℃下的层间剪切强度和弯曲性能保持率在60%以上,满足280℃使用温度对材料性能的要求。
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB332;TQ327.3;V258.3
【图文】：

硕士学位论文 复合材料在航空航天领域的应用天科技的不断发展进步推动了对复合材料性能的要求，复的强度，更高模量，更低的密度不断的发展。随着碳纤维匹配树脂研究的不断深入，复合材料近几十年来取得了巨天领域的应用也显著增加。、民用飞机的承力结构中，碳纤维复合材料逐渐取代了传构的重量得到大幅度的降低，减少油耗的同时使得飞机的的提高。采用复合材料代替金属材料作为飞机的主承力结达 20%以上。图 1-10 为空客公司的 A350XW 的机翼壁板筋的结构形式。

图 1-11 A380 后机身段众多商品化的 BMI 树脂体系中，以 Cytec 公司研制的 525中美国第四代重型战斗机 F22 是一个典型的例子，F22 型号结构以及部分横梁以及骨架都是由 5250 BMI 树脂为基体的主要以 AS-4/5250-4 复合材料体系为主，AS-4 为美国赫氏纤维，其性能与东丽 T400HB 相当。少数部件由于有更高7/5250-4 复合材料体系，IM-7 纤维其强度与模量与 T800 相料结构中，占 25%总质量的 400 余个部件由 RTM 成型工艺本 2.5 亿美元。以波纹梁结构为例，作为战斗机机翼的主递模塑(RTM)工艺制备(图 1-12）。整机所有碳纤维增强树脂约占总质量的 24%[45]。

图 2-1 二氯二苯砜结构式 图 2-2 苯并咪唑酮图 2-2 PES 共聚物反应机理.2 共聚物合成工艺实验所用的药品如表 2-1 所示。表 2-1 实验药品

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本文编号：2773335