纤维缠绕成型聚酰亚胺基复合材料性能研究
贾丽霞,陈 辉
【摘 要】摘 要 以第 2代聚酰亚胺 (Poly imide-Ⅱ,PI-Ⅱ)为基体,采用纤维缠绕成型工艺制作了 T700/PI-Ⅱ(碳纤维 /Polyimide-Ⅱ)、S2/PI-Ⅱ(高强玻璃纤维 /Polyimide-Ⅱ)复合材料。研究了纤维缠绕成型 PI-Ⅱ复合材料的界面性能和耐热性能。采用扫描电镜(SE M)研究了 T700/PI-Ⅱ以及 S2/PI-Ⅱ复合材料的剪切断口形貌,用于分析PI-Ⅱ复合材料的界面性能;采用 TG/DTA 6300热分析仪测定 T700/PI-Ⅱ以及 S2/PI-Ⅱ复合材料的热分解温度,用于研究 T700/PI-Ⅱ以及 S2/PI-Ⅱ复合材料的耐热性能。本文研究也包括 S2/PI-Ⅱ复合材料在 300℃高温的层间剪切强度保留率。研究结果表明:T700/PI-Ⅱ复合材料在空气氛围中的起始热分解温度 (T ID)为 549℃,S2/PI-Ⅱ复合材料为 542℃。S2/PI-Ⅱ复合材料在 300℃高温的层间剪切强度保留率为 72%。 【期刊名称】纤维复合材料 【年(卷),期】2010(027)003 【总页数】3
【关键词】关键词 第 2代聚酰亚胺 (Polyimide-Ⅱ,PI-Ⅱ);耐热性能;纤维缠绕工艺;剪切断口形貌
1 引 言
聚酰亚胺是分子主链中含有酰亚胺基团的聚合物,其分子结构示意图如图1所示。 第一代聚酰亚胺 (PI-Ⅰ,产品代号为 PMR15、KH304等)的长期使用温度为 316℃,第二代聚酰亚胺 (PI-Ⅱ)为 371℃。
复合材料的耐热性主要取决于树脂基体,目前在耐高温树脂中能经受长期高温氧
化的热固性树脂首选聚酰亚胺(Polyimide,PI)。以聚酰亚胺为基体的复合材料是为高温结构应用开发的,主要用于宇航器的发动机部件、机体的外壳、汽车发动机部件中的高温部位以及航空航天、国防、电子电器等高技术领域。聚酰亚胺复合材料在医学领域的研究也有报道。
虽然聚酰亚胺树脂耐热性高,但聚酰亚胺的缺点是流动性差、工艺性差,难以用纤维缠绕工艺制作复合材料,因此,长期以来聚酰亚胺复合材料的制备方法主要是采用高压模压成型和高压釜成型等,用纤维缠绕工艺制作聚酰亚胺复合材料的研究较少。
本文采用纤维缠绕成型工艺制作了 PI-Ⅱ复合材料,针对纤维缠绕成型 PI-Ⅱ复合材料的界面性能及其耐热性能进行了研究。研究结果表明:采用纤维缠绕成型工艺制作的 PI-Ⅱ复合材料界面性能和耐热性能达到了预期结果。
2 实 验
2.1 原材料
2.1.1 基体材料:PI-Ⅱ树脂为国产材料。
2.1.2 增强材料:高强玻璃纤维 (代号为 S2)为国产材料;T700碳纤维为进口材料。 2.2 试样制备
采用纤维缠绕成型工艺,使用 PI-Ⅱ基体、T700碳纤维、高强玻璃纤维,制作 PI-Ⅱ基复合材料。PI-Ⅱ基碳纤维复合材料记为 T700/PI-Ⅱ;PI-Ⅱ基高强玻璃纤维复合材料记为 S2/PI-Ⅱ。 2.3 性能测试 测试仪器及测试标准:
采用美国 Perkin Elmer公司 TG/DTA 6300热分析仪,测复合材料热分解温度,
研究复合材料的耐热性能;采用日本日立公司 S570扫描电子显微镜,研究复合材料的微观结构;采用 Instron 5582设备,参照 GB1461-1988标准,研究复合材料的剪切性能及其高温强度保留率。
(1)复合材料耐热性能测试:采用纤维缠绕成型工艺,在相同的工艺条件和固化条件下制作T700/PI-Ⅱ、S2/PI-Ⅱ复合材料。
用 TG/DTA测得它们在空气氛围中的热分解温度,研究复合材料的耐热性能; (2)复合材料的微观结构研究:用扫描电镜研究T700/PI-Ⅱ、S2/PI-Ⅱ复合材料的剪切断口形貌;
(3)复合材料高温剪切强度保留率研究:采用Instron 5582设备,测试复合材料在室温和 300℃高温条件下的层间剪切强度,求出复合材料在 300℃高温条件下的层间剪切强度保留率。
3 结果及讨论
3.1 PI-Ⅱ复合材料耐热性能
热分解温度、热态强度、热变形温度 (HDT)、玻璃化温度 (Tg)可用于评价材料的耐热性能,热变形温度通常用树脂浇注体来测定。
为了能直接评价 PI-Ⅱ复合材料的耐热性能,测定了 PI-Ⅱ复合材料的热分解温度和热态强度保留率,用于研究 PI-Ⅱ复合材料的耐热性能。
复合材料的热分解温度可通过热失重曲线来确定。测得的 T700/PI-Ⅱ、S2/PI-Ⅱ复合材料热分解温度如表1所示。
第 1代聚酰亚胺基碳纤维复合材料 (CF/KH304)的热分解温度在 400℃附近,由表1可见,第 2代聚酰亚胺基复合材料的热分解温度较高,T700/PI-Ⅱ复合材料、S2/PI-Ⅱ复合材料的热分解温度均高于 540℃,充分表明第 2代聚酰亚胺基复合
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