双马来酰亚胺树脂基复合材料的离位增韧研究

摘要

双马来酰亚胺树脂(Bismaleimide，BMI)具有良好的的流动性和可模塑性，以及良好的耐高温、耐湿热等优良特性，在很多领域得到了迅速发展和应用。但是，BMI抗冲击损伤能力较差、冲击后压缩强度低，限制了以其为基体的复合材料层合板在飞机的主承力结构件上的应用。为了改善BMI树脂基复合材料的抗冲击损伤能力，传统的增韧方法是在树脂基体中引入增韧剂形成两相结构，提高树脂基体的韧性，达到增韧复合材料的目的。但是这种做法增加了树脂基体的粘度，改变了树脂基体的固化工艺；同时树脂基体韧性虽可以大幅度提高，但是复合材料的韧性提高幅度较小。鉴于这种情况，Aemrican Cyanamid公司提出了Interleaf层间增韧技术。Interleaf增韧方法针对复合材料薄弱的层间实施有目的的选择性增韧。Interleaf增韧效果明显，但由于Interleaf增韧树脂的刚度和强度比较低，在保证复合材料的设计强度要求下，需要增加额外的纤维层，从而导致复合材料的减重效果大大降低。 针对以上情况，本文将离位增韧技术应用到BMI树脂基复合材料中。复合材料的制备工艺包括预浸料/热压罐工艺和树脂传递模塑(resin transfer molding,RTM)工艺。离位(Ex-situ)增韧思想是益小苏教授在2001年申请国家973项目时提出的。离位思想的基本原理是：区分原有过程中的各个物理、化学过程，从结构、功能等方面将原来统一的过程分解为若干小问题，分别加以解决。具体来讲就是从热固性树脂相、热塑性树脂相两种纯组分相的叠层结构开始，利用固化反应诱导相分离，通过相反转，形成热塑/热固双连续相的层状结构。其中热固性单相部分保持复合材料原有的静态力学性能和湿/热性能，而热塑/热固双连续相则用来提高复合材料层间分层阻抗和损伤容限。目前，离位增韧技术在环氧预浸料复合材料中得到成功的应用。 本文将离位增韧技术引入到BMI树脂基复合材料的增韧中去，其中BMI树脂基复合材料的制备工艺包括预浸料/热压罐工艺和RTM工艺。首先分别研究了用于预浸料/热压罐工艺和RTM工艺的BMI树脂体系的固化动力学，绘制出了表征BMI树脂固化工艺特性的时间-温度-转变图(Time-Temperature-Transformation diagram)。其次，针对离位增韧中增韧剂与BMI树脂之间的相分离行为，研究了增韧剂与BMI树脂的反应诱导相分离机理、相形貌演化和力学性能。利用离位增韧技术增韧预浸料/热压罐工艺BMI树脂基复合材料，使得BMI树脂基复合材料的冲击后压缩强度提高近61％，同时复合材料的静态力学性能保持良好。 为了验证离位增韧技术的普适性，将离位增韧技术应用于RTM工艺BMI树脂基复合材料中。实验结果表明， RTM工艺BMI树脂基复合材料经过离位增韧后，Ⅰ型断裂能释放率从增韧前的210J/m<'2>，提高到增韧后的627J/m<'2>，提高了近1倍；Ⅱ型断裂能释放率由增韧前的510J/m<'2>提高到971J/m<'2>，提高了近1倍。而RTM工艺BMI树脂基复合材料的冲击后压缩强度，由原来的155MPa提高到277MPa，同时复合材料的静态力学性能保持良好，并且离位增韧技术对BMI树脂基复合材料的RTM制备工艺没有影响。。 本论文进一步对离位增韧RTM工艺BMI树脂基复合材料的力学性能进行了系统研究，其中包括复合材料在低温环境、高温环境、湿热环境等不同环境下的力学性能。发现离位增韧后，室温干态条件下RTM工艺BMI树脂基复合材料的静态力学性能有所提高；-55℃干态条件下，RTM工艺BMI树脂基复合材料的静态力学性能基本保持在室温干态水平，没有发生大幅的降低。另外，RTM工艺BMI树脂基复合材料的开孔拉伸性能经过离位增韧后有所提高。通过对离位增韧RTM工艺BMI树脂基复合材料静态力学性能的系统研究，得出离位增韧技术在大幅度提高复合材料韧性的同时，并不影响复合材料原来的静态力学性能，某些性能还有小幅度的提高，这为离位增韧技术的工程化应用提供了重要的参考意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

1.1前言

1.2树脂基体的增韧

1.2.1层间增韧技术

1.2.2离位增韧(Ex-Situ)

1.3 RTM复合材料的增韧

1.4热塑性树脂/热固性树脂复相体系的反应诱导相分离

1.4.1反应诱导相分离

1.4.2 TP/TS复相体系的界面扩散—固化—相分离

1.5课题的提出

参考文献

第二章BMI树脂体系的工艺研究

2.1实验原料

2.2测试部分

2.3固化动力学模型

2.4.BMI1树脂体系TTT图的绘制

2.4.1BMI1体系的动力学参数

2.4.2固化度与玻璃化转变温度的关系

2.4.3树脂体系的凝胶时间与温度关系

2.4.4等固化度曲线

2.4.5 BMI1树脂体系TTT图

2.5 BMI2树脂体系TTT图的绘制

2.5.1树脂体系的动力学参数

2.5.2固化度与玻璃化转变温度的关系

2.5.3树脂体系的凝胶时间与温度关系

2.5.4BMI2配方的TTT图

2.6本章小结

参考文献

第三章BMI树脂基体的本体增韧研究

3.1实验原料

3.1.1基体树脂

3.1.2增韧剂

3.2试样制备

3.3测试部分

3.4 PAEK增韧BMI1树脂的研究

3.4.1PEAK/BMI1复相体系相分离机理的研究

3.4.2 PEAK/BMI1复相体系的冲击性能

3.4.3断面形貌分析及其增韧机理研究

3.4.4PEAK/BMI1复相体系的热分析

3.5 PAEK增韧BMI2树脂的研究

3.5.1PAEK/BMI2复相体系的热分析

3.5.2 PAEK/BMI2复相体系的力学分析

3.6 PAEK/BMI层状化体系的相形态结构

3.7本章小结

参考文献

第四章BMI预浸料复合材料的离位增韧研究

4.1实验部分

4.1.1实验原料

4.1.2离位增韧膜的制备

4.1.3离位增韧复合材料的制备

4.2测试与表征

4.3冲击阻抗和损伤容限

4.4层间相形貌分析

4.5动态力学热分析

4.6基本力学性能分析

4.7本章小结

参考文献

第五章RTM复合材料的离位增韧研究

5.1实验部分

5.1.1实验原料

5.1.2离位增韧膜的制备

5.1.3离位增韧复合材料的制备

5.2测试与表征

5.3层间断裂韧性

5.3.1Ⅰ型层间断裂韧性

5.3.2Ⅱ型层间断裂韧性

5.4断裂表面特征分析

5.5冲击后压缩强度

5.6 CAI试样的横截面结构形貌分析

5.7复合材料的面内力学性能

5.8复合材料的动态力学热分析

5.9本章小结

参考文献

第六章RTM离位增韧复合材料的力学性能

6.1实验部分

6.1.1实验原料

6.1.2离位增韧复合材料的制备

6.2测试与表征

6.2.1湿热处理

6.2.2数据正则化处理

6.3拉伸性能

6.3.1破坏行为

6.3.2强度和模量

6.4压缩性能

6.5纵横剪切强度

6.6弯曲性能

6.7层间剪切强度

6.8开孔拉伸强度

6.9开孔压缩强度

6.10本章小结

参考文献

结论

建议与展望

攻读博士学位期间发表或撰写的论文

作者简介

致谢