耐热聚合物基刚性/柔性层压复合材料

摘要

聚合物基层压复合材料（polymer matrix laminated composites）是指将有机聚合物基体与纤维或纤维织物增强体（玻璃纤维和碳纤维等）通过热压工艺进行复合而得到的高性能材料。层压复合材料一般由基体材料和增强材料组成，按照聚合物基体来分类，大致可分为树脂基刚性复合材料和橡胶基柔性复合材料。聚合物基层压复合材料具有轻质高强度、耐腐蚀性能好、性能的可设计性和成本低等优点，广泛应用于航空航天、机械结构件以及建筑材料等领域中。
　　作为一种新型的热固性树脂——苯并噁嗪树脂(BZ)，不仅具有较高的耐热性和阻燃性能，还具备良好的尺寸稳定性、低吸水性和优异的力学性能等。另外与其他应用较多的树脂相比较，苯并噁嗪树脂的耐热性优于环氧树脂，可与聚酰亚胺相媲美，但成本却比聚酰亚胺要低，具有较高的性价比，而且苯并噁嗪在加工工艺方面也有优势，所需要的固化温度比双马来酰亚胺要低。因此，本文基于苯并噁嗪树脂的高耐热性、高性价比等优点，并结合玻璃纤维的高强度、使用广泛、价格优廉等特点，制备了玻璃纤维增强含硅苯并噁嗪树脂基刚性层压复合材料，其玻璃化转变温度达到286℃。并且结合碳纤维具有通电发热的特点，将高耐热性的苯并噁嗪树脂基复合材料应用到碳纤维电暖领域，制备出高功率的碳纤维电热刚性层压复合材料。另外，基于硅橡胶具有良好的柔韧性和热稳定性，又制备了硅橡胶基碳纤维电热柔性层压复合材料，可卷曲折叠，丰富了碳纤维电暖种类，用来满足不同的使用环境要求。
　　本文的主要研究内容和结果如下:
　　1.以双酚A、γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)和多聚甲醛合成了含硅苯并噁嗪树脂，并配制胶液浸渍玻璃纤维布，制备出含硅苯并噁嗪树脂基的高Tg刚性层压复合材料。对固化树脂基体热学性能进行测试，从动态机械分析(DMA)的测试曲线中得出树脂基体的Tg为286℃，由于树脂基体本身表现出良好的耐热性，制备出的层压复合材料也表现出良好的耐热性能。接着对复合材料的力学性能也进行了测试，复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别达到227.3MPa、587.5MPa和86.1 kJ/m2，显示出了较好的力学性能。并采用扫描电镜(SEM)对其断裂面进行观察，发现玻璃纤维上包裹了苯并噁嗪树脂层，说明两者之间复合粘结的较好。
　　2.以二氨基二苯甲烷、苯酚和多聚甲醛合成了二元胺型苯并噁嗪树脂，并配成胶液浸渍玻璃纤维布，与碳纤维纸一起层压复合制备出电热层压复合材料。对固化树脂的热性能进行测试分析，从DMA的Tanδ曲线可以看出，BZ树脂的Tg达到220℃，同时从TGA曲线可以得出，树脂的Td5和Td10分别是331℃和380℃，800℃时的残炭率为40％，表明BZ树脂凭借良好的耐热性及热稳定性，在制备高功率碳纤维电热层压复合材料方面，比环氧树脂更有优势。本方法制备出的苯并噁嗪树脂基碳纤维电热刚性层压复合材料最大功率可达到1700W，是市场同类产品的3～5倍，表面温度在5min左右达到热平衡，升温迅速，而且功率稳定。
　　3.以甲基乙烯基硅橡胶为生胶、气相白炭黑为补强填料、2，5-二甲基-2，5-双（叔丁基过氧基）己烷作为硫化剂在双辊开炼机上进行混炼，得到混炼胶料。然后将混炼胶片和玻璃纤维布、碳纤维纸一起层压复合制备硅橡胶基碳纤维电热柔性层压复合材料。对硫化胶的力学性能进行测试，数据显示其拉伸强度和撕裂强度平均值分别为8.58MPa和18.35kN/m，而其断裂伸长率高达1331.63％，具有优异的柔韧性能，在制备可卷曲折叠的碳纤维电热柔性层压复合材料方面具有可行性。电性能分析表明当输入电压为40V时，制备的硅橡胶基碳纤维电热柔性层压复合材料的功率为11.5W，功率密度可达到0.20W/cm2。同碳纤维电热刚性层压复合材料一样，升温迅速，也未出现功率衰减的现象。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1 什么是聚合物基层压复合材料

1．1 聚合物基层压复合材料的定义

1．2 聚合物基层压复合材料的分类

2 纤维增强树脂基刚性层压复合材料

2．1 纤维增强酚醛树脂基层压复合材料

2．2 纤维增强环氧树脂基层压复合材料

2．3 纤维增强聚酰亚胺树脂基层压复合材料

3 纤维增强橡胶基柔性层压复合材料

4 聚合物基层压复合材料的应用

5 本论文设计思路

6 本论文研究内容

参考文献

第二章 含硅苯并噁嗪树脂基刚性层压复合材料

1 前言

2．1 原料

2．2 含硅苯并噁嗪树脂(SBZ)的合成

2．3 预浸料的制备

2．4 含硅苯并噁嗪树脂基刚性层压复合材料的制备

2．5 分析测试

3 结果与讨论

3．2 含硅苯并噁嗪树脂的加工性能和热性能

3．3 含硅苯并噁嗪树脂基刚性层压复合材料的力学性能

4 本章小结

参考文献

第三章 苯并噁嗪树脂基碳纤维电热刚性层压复合材料

1 前言

2 实验部分

2．1 原料

2．2 二元胺型苯并噁嗪单体(BZ)的合成

2．3 预浸料的制备

2．4 苯并噁嗪树脂基碳纤维电热刚性层压复合材料的制备

2．5 分析测试

3 结果与讨论

3．2 二元胺型苯并噁嗪树脂的加工性能和热性能

3．3 苯并噁嗪树脂基碳纤维电热刚性层压复合材料的电热性能

4 本章小结

参考文献

1 前言

2 实验部分

2．1 原料

2．2 混炼胶的制备

2．3 硅橡胶基碳纤维电热柔性层压复合材料的制备

2．4 分析测试

3 结果与讨论

3．1 硫化胶的热性能

3．2 硫化胶的力学性能

3．3 硅橡胶基碳纤维电热柔性层压复合材料的电热性能

4 本章小结

参考文献

结论

致谢

攻读硕士期间的研究成果