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碳纤维增强可溶性聚芳醚复合材料的制备、界面性能及热应力模拟

陆春  
【摘要】:杂萘联苯型聚芳醚砜酮树脂(PPESK)是一种新型的可溶型高性能热塑性树脂基体,与目前广泛应用的聚醚醚酮(PEEK)等热塑性树脂相比,PPESK树脂的耐热性能得到较大幅度提高的同时,加工性能也得到了很大程度的改善,适合溶剂预浸的方法制备纤维/聚芳醚砜酮树脂基复合材料。本文对连续碳纤维增强杂萘联苯型聚芳醚砜酮复合材料的制备工艺、纤维表面改性方法及其在空间环境温度下的热应力分布规律进行了研究。 本文在充分研究杂萘联苯型聚芳醚砜酮树脂的溶解特性的基础上,选择适当的溶剂,利用溶液浸渍缠绕的工艺制备CF/PPESK树脂基复合材料预浸料,采用高温模压成型工艺,制备出CF/PPESK复合材料单向板。根据紧密接触模型和能量传递方程对热压成型过程非稳态温度场进行数值分析,探讨了CF/PPESK复合材料的非稳态温度场、成型加工温度和压力与成型时间的关系。采用粘弹性树脂模型对降温过程中复合材料的热应力进行分析,探讨复合材料成型过程中残余热应力的分布规律及对复合材料粘接性能的影响。对CF/PPESK复合材料热压成型工艺参数进行了优化,总结出CF/PPESK复合材料的最佳成型工艺参数。 采用空气冷等离子体处理方法对碳纤维表面进行处理,用XPS测试不同等离子体处理时间对碳纤维表面元素组成的影响及其变化规律,采用动态接触角测试分析了不同处理时间下,碳纤维表面浸润性的变化规律,利用AFM测试分析等离子体处理时间对碳纤维表面粗糙度的影响,用ILSS测试方法表征了碳纤维/PPESK复合材料的层间剪切强度,确定了最佳的等离子体处理条件。利用SEM观察碳纤维/PPESK树脂基复合材料的层间剪切破坏形貌,并进一步分析了复合材料界面的粘结机理。研究结果表明,空气等离子体处理可在纤维表面引入-C-N-、-C-O-、-C=O、-COO-等极性基团,使得纤维表面极性基团的含量及表面自由能显著增加;等离子体处理对碳纤维表面具有刻蚀作用,经过等离子体处理的碳纤维表面沟槽增多、粗糙度增大。由于等离子体处理,碳纤维表面极性基团含量、表面粗糙度及浸润性能均得到提高,从而改善了纤维与树脂基体的粘接性能,使得CF/PPESK复合材料的层间剪切强度达到79.5MPa,比未处理的CF/PPESK复合材料提高了13.5%。对CF/PPESK复合材料界面粘接机理的研究表明,纤维与树脂基体之间的化学键合、机械嵌合相互作用均能有效地提高复合材料的界面粘接性能,而机械嵌合作用对提高CF/PPESK复合材料界面粘接性能的贡献大于化学键合相互作用。 作为航天器结构的复合材料,在航天器长期在轨运行期间,反复地出入于地球的阴影区域,其表面温度在-160℃-120℃变化,由于碳纤维与树脂基体的热膨胀系数存在较大的差异,因而在空间交变温度场的作用下,复合材料内将产生交变热应力。本文采用有限元分析的方法,对空间环境下CF/PPESK复合材料内热应力的分布规律进行了分析,并与CF/环氧、CF/双马来酰亚胺树脂基复合材料的热应力分布规律进行了研究比较。结果表明,复合材料内部的缺陷区域是复合材料最薄弱的环节,在空间温度场的作用下,复合材料的缺陷区域将产生较大的应力集中,而CF/PPESK复合材料内热应力值比CF/环氧、CF/双马来酰亚胺复合材料的热应力值低。缺陷区域的Parabolic屈服准则分析表明,热应力对CF/环氧、CF/双马来酰亚胺复合材料的影响比较显著,在空间温度场的作用下,复合材料缺陷区域的热应力将导致树脂基体发生屈服破坏,而CF/PPESK复合材料受空间温度场影响较小,缺陷区域的热应力值均未能导致树脂基体的屈服,表现出较高的热稳定性能。


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