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聚酰亚胺树脂基吸波复合材料的制备及性能研究

望红玉  
【摘要】:结构功能一体化已经成为当今材料科学与技术发展的主要方向,特别是对于吸波材料来说。实现吸波材料―薄、宽、轻、强‖目标同时兼具良好耐温性已经成为新型吸波材料的必然发展趋势。本文以耐高温聚酰亚胺树脂作为基体,碳化硅纤维(SiCf)作为增强体,炭黑(CB)、碳纳米管(CNT)、石墨烯(GNP)和Ti3SiC2为吸收剂,通过热压法制备吸波复合材料。研究了吸收剂/聚酰亚胺吸波复合材料,SiCf/聚酰亚胺吸波复合材料的微观结构、力学性能以及复合材料在X波段(8.2~12.4)内介电和吸波性能。本文的主要研究内容和结果如下:通过对树脂预聚体固化动力学的分析,得到了聚酰亚胺树脂预聚体反应的特征温度和固化动力学模型,固化反应的活化能为99.8KJ/mol,固化反应基本为一级反应。通过热-红外技术分析检测理论上聚酰亚胺树脂在高温过程中的分解产物,揭示了聚酰亚胺树脂在高温下的分解过程。分别以CB、CNT、CB/CNT和Ti3SiC2为吸收剂制备了吸收剂/聚酰亚胺吸波复合材料。对于CB/聚酰亚胺复合材料,复合材料介电常数的实部和虚部都随着CB含量的增加而增加,力学性能随着CB含量的增加先增加后降低。当CB含量为6wt%,复合材料具有最佳的吸波效果;对于CNT/聚酰亚胺复合材料和CB/CNT/聚酰亚胺复合材料,复合材料的复介电常数随着吸收剂含量的增加而增加,随着温度的升高而逐步增大。当CNT或CB/CNT的含量为5wt%,复合材料具有最优的吸波性能。CB取代部分的CNT可以提高复合材料的介电常数,同时并不降低复合材料的力学性能;对于Ti3SiC2/聚酰亚胺复合材料,复合材料的复介电常数,力学性能随着吸收剂含量的增加而增加,高温介电常数随着测试温度升高而逐步增大。研究了制备工艺对塞利菲碳化硅纤维(SLFSiCf)增强聚酰亚胺复合材料力学性能的影响:具体包括纤维表面状态、施加压力大小、加压温度点的选择和后固化温度,时间。当压力大小为10MPa,加压温度点为240℃,后固化条件为温度380℃,时间8h时,复合材料具有较好的力学性能。对国防科大碳化硅纤维(KD-1SiCf)和SLFSiCf两种纤维进行了分析对比,结果表明:KD-1SiCf和SLFSiCf形貌没有明显的差别,表面光滑。KD-1SiCf表面富碳,而SLFSiCf中碳的分布比较均匀,而且相比于SLFSiCf,KD-1SiCf中碳的石墨化程度更高,KD-1SiCf的电导率显著高于SLFSiCf的电导率。对两种SiCf所得复合材料性能的研究表明:KD-1SiCf所得复合材料和SLFSiCf所得复合材料的的弯曲强度都在600MPa以上,具有良好的力学性能。尽管利用两种SiCf制备的复合材料的介电常数差别很大,但是制备复合材料的反射损耗都很低,其原因是吸波材料的阻抗匹配性和衰减特性不能很好的同时满足。研究了KD-1SiCf氧化处理和KD-1SiCf和SLFSiCf混编织对制备复合材料介电和吸波性能的影响。当用KD-1SiCf氧化处理时,复合材料的介电常数实部和虚部都随着KD-1SiCf氧化时间的增加逐步降低;当用KD-1SiCf和SLFSiCf混编时,复合材料的介电常数随着KD-1SiCf的比例增加而增加。虽然通过两种方法可以有效的改变复合材的复介电常数,但是制备出复合材料的吸波性能并没有显著改善。将不同种类的碳类吸收剂(CB、CNT和GNP)引入到SLFSiCf复合材料中去调节其介电常数,复合材料的介电常数随着碳类吸收剂含量的增加而增加,力学性能随着碳类吸收剂含量的增加逐步减小,其中CB、CNT对复合材料吸波性能改善的效果优于GNP。单一的通过调整吸收剂的含量能够提高复合材料的吸波效果,但是复合材料吸收带宽比较窄。选取匹配层和不同的损耗层,对双层复合材料的吸波性能进行了模拟计算,结果表明通过选取合适的匹配层和损耗层,可以获得吸波性能较好的双层吸波复合材料,其吸波效果要远远优于同等厚度的单层吸波复合材料。研究了热老化和湿热老化对SLFSiCf复合材料性能的影响。随着热老化时间的增加,复合材料的质量失重逐渐增加,弯曲强度和分解温度逐渐降低。复合材料的介电性能变化不大。随着湿热老化时间的增加,复合材料的质量先增加然后趋于稳定,弯曲强度逐渐降低。复合材料的介电常数随着湿热老化有所增加,当湿热老化200h,复合材料的介电常数趋于稳定。


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