碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料热氧稳定性及稀土改性研究

摘要

热固性聚酰亚胺树脂基复合材料由于综合性能优异而在航空航天领域扮演着日益重要的角色。掌握其在高温环境中性能的变化规律、失效机制及改性方法，对于提高聚酰亚胺复合材料在长期高温服役过程的安全及延寿具有重要意义。
　　研究了老化温度和老化时间对热固性聚酰亚胺HT-350RTM碳纤维增强复合材料性能的影响规律。通过热失重测试、性能检测和微观形貌分析，初步阐述了其热氧老化失效机理。研究表明，在330℃-370℃范围内，该复合材料的失重随老化时间的延长呈加速现象，温度越高老化加速越明显;同时，在较长时间或更高温的老化过程中，其玻璃化转变温度(Tg)逐渐提高，室温弯曲和层剪性能逐渐下降，而高温拉伸性能则呈现先增加后降低的趋势。基体树脂进一步交联是Tg升高的主要原因;聚酰亚胺树脂发生降解引起孔隙率增加、界面破坏，导致老化加速和力学性能下降，而以上两种效应综合导致高温力学性能先增加后下降。
　　采用氧化铈(CeO2)、氧化镧(La2O3)和氧化钕(Nd2O3)对聚酰亚胺树脂进行改性，研究了稀土氧化物种类和含量对聚酰亚胺树脂失重率、力学性能及工艺性能的影响规律。分析发现，氧化铈分散效果较差，固化成型过程中容易析出，故改性效果最弱，氧化镧初始粒度较大，比表面积小，相比于氧化钕改性效果较弱;当氧化钕含量为1wt％时，改性树脂失重率为5％时的老化时间延长了2.2倍，拉伸强度提高了41％。当氧化钕含量进一步增加时，拉伸模量逐渐增加，但改性树脂的耐热性能、拉伸强度及断裂伸长率逐渐降低。
　　在基体树脂改性工作的基础上，将氧化钕改性聚酰亚胺用于制备碳纤维增强复合材料，研究了氧化钕含量对聚酰亚胺复合材料性能的影响。结果显示，少量氧化钕的加入能够提高聚酰亚胺复合材料的热氧化稳定性;但随着氧化钕含量增加，改性复合材料的失重率增加，玻璃化转变温度降低，力学性能下降。当氧化钕的含量为1wt％时，其改性效果最优，在350℃恒温老化200h后，1wt％氧化钕改性的聚酰亚胺复合材料相对于未改性复合材料的失重率降低了25％，弯曲强度提高了46％，玻璃化转变温度提高至425.3℃。
　　本文分析了热固性聚酰亚胺树脂基复合材料的热氧老化特性，成功采用稀土氧化物改善了聚酰亚胺树脂及其复合材料的热氧化稳定性，对其工程应用具有重要的意义。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 聚酰亚胺树脂及复合材料

1．1．1 热塑性聚酰亚胺树脂及复合材料

1．1．2 热固性聚酰亚胺树脂及复合材料

1．2 聚酰亚胺材料耐热性能的研究现状

1．2．1 聚酰亚胺的分解机理

1．2．2 化学改性的研究现状

1．2．3 物理改性的研究现状

1．3 稀土改性聚合物热氧稳定性的研究现状

1．3．1 稀土改性塑料热氧稳定性的研究现状

1．3．2 稀土改性橡胶热氧稳定性的研究现状

1．4 研究内容及方案

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究方案

第二章 实验部分

2．1 实验原料

2．2 设备及仪器

2．3 聚酰亚胺树脂试样的制备

2．4 聚酰亚胺复合材料的制备

2．5 稀土氧化物改性聚酰亚胺树脂的制备

2．6 聚酰亚胺树脂及复合材料的热氧老化实验

2．6．1 聚酰亚胺复合材料的热氧老化实验

2．6．2 改性聚酰亚胺材料的热氧老化实验

2．7 测试与表征

2．7．1 扫描电镜(SEM)

2．7．5 密度

2．7．6 流变性能

2．7．7 力学性能

2．8 小结

第三章 聚酰亚胺复合材料的热稳定性及老化机理

3．1 聚酰亚胺树脂的热稳定性及老化机理

3．2 聚酰亚胺复合材料的失重特性

3．2．1 老化时间对失重特性的影响

3．2．2 老化温度对失重特性的影响

3．3 聚酰亚胺复合材料的热机械性能

3．3．1 老化时间对热机械性能的影响

3．3．2 老化温度对热机械性能的影响

3．4 聚酰亚胺复合材料的力学性能

3．4．1 老化时间对力学性能的影响

3．4．2 老化温度对力学性能的影响

3．5 小结

第四章 稀土氧化物改性聚酰亚胺树脂

4．1 稀土氧化物改性聚酰亚胺树脂的热氧老化特性

4．1．1 稀土氧化物及改性树脂的基本特性分析

4．1．2 不同稀土氧化物改性聚酰亚胺树脂的失重特性

4．1．3 不同稀土氧化物改性聚酰亚胺树脂的流变特性

4．1．4 不同稀土氧化物改性聚酰亚胺树脂的力学性能

4．2 稀土氧化物含量对改性聚酰亚胺树脂热氧老化特性的影响

4．2．1 氧化钕改性聚酰亚胺树脂的基本特性

4．2．2 氧化钕含量对聚酰亚胺树脂失重特性的影响

4．2．3 氧化钕含量对聚酰亚胺树膳流变性能的影响

4．2．4 氧化钕含量对聚酰亚胺树脂力学性能的影响

4．3 小结

第五章 稀土氧化物改性聚酰亚胺复合材料的性能

5．1 改性聚酰亚胺复合材料的失重特性

5．2 改性聚酰亚胺复合材料的热机械性能

5．3 改性聚酰亚胺复合材料的力学性能

5．4 改性聚酰亚胺复合材料的长期老化性能

5．4．1 改性聚酰亚胺复合材料长期老化的失重特性

5．4．2 改性聚酰亚胺复合材料长期老化的热机械性能

5．4．3 改性聚酰亚胺复合材料长期老化的力学性能

5．5 小结

第六章 总结

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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