碳化硅短纤增强PMR型聚酰亚胺复合材料成型加工与表征

摘要

美国NASA于20世纪60年代研发的在位聚合PMR型聚酰亚胺是一种热固性树脂，其最突出的特点就是耐高温性能优异，以其为基体的复合材料的工作温度可达300℃以上，同时具有很好的低温性能，因此应用范围很广泛。早期多被用于军事航空领域，后逐步用于民用领域，是公认的耐高温高性能树脂基体。经过多年发展，PMR型聚酰亚胺树脂克服了普通聚酰亚胺吸湿和热膨胀的缺点，广泛应用于航空航天和汽车零部件，是很好的耐高温材料。这种树脂是以低沸点醇类为溶剂的均相溶液，可以很好浸渍增强材料(布或带)。由其制造的复合材料在300～320℃下有优异的力学性能。但连续纤维增强复合材料存在一些缺陷，如成本高、产品精度低、只适用制造大部件不宜生产小而精的零件。碳化硅是一种具有良好的导热性、耐热震性和化学稳定性的陶瓷材料。碳化硅纤维是一种新型纤维增强材料，它具有碳化硅陶瓷的优良性能，拉伸强度大、模量高、耐高温，可耐1200℃的高温，是制造滑动环、阀门等摩擦部件的优良材料。碳化硅纤维增强的树脂基复合材料抗压、抗冲击强度及耐磨性能优于碳纤维。碳化硅短纤维增强的聚酰亚胺复合材料结合了高分子树脂和陶瓷性能优越，易整体成型为结构复杂的耐高温零部件，这样就克服了磨损部件易损坏、接缝处易断裂的缺陷。
　　 目前，世界上对短纤维增强的聚酰亚胺复合材料板的研究非常少，已有的型方法工艺技术不甚明确且可重复性很差。在此次研究中，对由碳化硅短纤增强的PMR型聚酰亚胺复合材料的合成和性能进行了研究。对一种新型的复合PMR型聚酰亚胺的合成方法和复合材料热压成型方法进行了不同探索。在实验过程中，通过热压缩模塑技术使纤维混合聚酰亚胺预制体成型，对复合材料成型工艺过程的控制进行了不同组合的研究，例如热压温度尝试了250～270℃，加压尝试了2～4MPa，经过多次失败总结经验，最后得到比较理想的成型方法为：硫化机需先预热到230℃，在260～27℃之间缓慢加压，最大施加压力3MPa为制成了较成功的具有一定厚度(2-3mm)的复合材料板。之后对复合材料板的性能进行了测试。本实验所用PMR型聚酰亚胺由单体MDA、ODPE和NE合成，并测试了树脂基体的流变性能。对预制体树脂粉末及成型复合材料的外观进行了显微镜观测，并拍摄了复合材料断面的扫描电镜照片。并对树脂的热学性能进行了测试，包括热重力学分析和动态力学分析。对预制体树脂粉末进行了红外光谱分析，以及纯聚酰亚胺材料和复合材料的机械性能分别做了测试。
　　 通过各种测试，综合显示不管是纯聚酰亚胺树脂板，还是碳化硅增强PMR型聚酰亚胺复合材料的各种性能都比较理想，而且有纤维增强的复合材料性能更加优越。纯聚酰亚胺材料的热裂解温度为440℃，经过碳化硅短纤增强后热裂解温度升高到457℃。由动态力学分析得出的聚酰亚胺玻璃化温度为336℃。碳化硅短纤增强的复合材料比纯聚酰亚胺材料的弯曲性能和拉伸性能分别提高了19.1％和18.2％。由此得出，新工艺方法是比较成功的，由此工艺制得的复合材料具有良好的化学和力学性能，通过进一步的技术改进，如添加偶联剂等促进纤维分散，用纤维增强的同时添加SiO2颗粒提高性能等，可以用于较大规模的工业化制造。

目录

文摘

英文文摘

CHAPTER ONE：INTRODUCTION AND OBJECTIVE

1.1 Introduction

1.2 Objective

CHAPTER TWO：LITERATURE REVIEW

2.1 Introduction of short SiC fiber

2.1.1 High-performance fibers

2.1.2 SiC fiber

2.1.3 The application of SiC fiber

2.2 Introduction of PI

2.2.1 Polyimide(PI)

2.2.2 The manufacture of PI

2.3 Introduction of fiber reinforced composite material

2.3.1 General introduction of fiber reinforced composites(FRCs)

2.3.2 Resin matrix

2.3.3 Development of fiber reinforced composites

2.3.4 Fibre-reinforced thermoset PMR polyimide composites

CHAPTER THREE：THERMOFORMING PROCESS

3.1 Introduction of thermoforming process

3.2 The manufacturing of tool

CHAPTER FOUR：MEASUREMENTS METHODS

4.1 Rheological properties

4.1.1 The introduction of rheological properties

4.1.2 TA ARES-RFS rheometer

4.2 Photomicrography and scanning electron microscope

4.2.1 The introduction of Photomicrography

4.2.2 HIROX Hi-Scope 3D Video Microscope

4.2.3 The introduction of SEM

4.3 Introduction of Dynamic mechanical analysis(DMA)

CHAPTER FIVE：EXPERIMENTAL

5.1 Materials

5.2 Preparation of PMR monomer solution

5.3 Preparation of B-staged molding powders

5.4 Fabrication of short silicon carbide fiber-reinforced PMR polyimide(SSCF/PI)composite

5.4.1 Preparation of short silicon carbide fiber

5.4.2 The preparation of fiber-reinforced PMR polyimide B-stage prepreg

5.4.3 The fabrication of SSCF/PI composite

5.5 Characterization

CHAPTER SIX：RESULTS AND DISCUSSION

6.1 Rheological properties of polyimide matrix resin and composite processing

6.1.1 Preparation of PMR monomer solution and SCF/B-staged molding powders

6.1.2 Rheological properties measurement

6.2 Thermoforming Process of SSCF/PI composite

6.3 Photomicrography and SEM of molding powder and composite

6.4 Thermal properties of polyimide matrix resin and composite

6.4.1 Thermogravimetric analysis(TGA)measurement

6.4.2 Dynamic mechanical analysis(DMA)measurement

6.4.3 FT-IR-redspectrum analysis

6.5 Tensile strength and flexural strength of composite

CHAPTER SEVEN：CONCLUSIONS

REFERENCES

ACKNOWLEDGEMENTS

APPENDIX

研究生期间发表论文及其他科研成果