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耐高温氰酸酯树脂基透波复合材料的研究

孙周强  
【摘要】: 高性能透波复合材料属光电磁和结构功能复合材料范畴,为“结构一防热一透波”一体化功能材料,是航天器“眼睛”的重要组成部分。随着航空航天工业的飞速发展,飞行器的飞行马赫数在不断提高,对透波材料提出了更高的性能要求,即具有突出的耐热性、优异的介电性能、良好的成型工艺性和力学性能。 树脂性能是决定复合材料的重要性能(介电性能、耐热性、耐湿性)的关键因素,所以,先进透波材料的研制应以高性能树脂为基体。 基于氰酸酯树脂(CE)和磷酸铝(AlPO_4)优良的综合性能,本文采用“复合技术”,设计并制备了新型高性能复合树脂(AlPO_4/CE),全面深入地探讨了复合树脂的界面性质、AlPO_4含量与复合树脂性能的关系;为进一步改善AlPO_4/CE的力学性能和耐湿性,制备了基于环氧改性甲基苯基有机硅树脂(E-Si)、AlPO_4和CE的三元复合材料,研究了E-Si的含量对AlPO_4/CE复合材料性能的影响;采用化学合成法合成了磷酸铝胶(s-AlPO_4),制备了玻璃布增强s-AlPO_4/CE复合材料,重点讨论了复合材料的力学性能和介电性能。通过本文的研究,初步建立了设计与制备新型高性能树脂及其透波复合材料的新理论和新方法。 研究了不同偶联剂对磷酸铝/CE性能的影响,制备了AlPO_4/CE和AlPO_4(KH-550)/CE复合材料,研究了复合材料的热性能、介电性能和吸湿性能。研究结果表明,不同偶联剂对磷酸铝/CE的固化行为以及磷酸铝和CE之间的界面作用力影响不同。AlPO_4(KH-550)和AlPO_4(KH-560)对CE固化反应的催化作用以及与CE间的界面作用力稍高于AlPO_4(H-2),所以AlPO_4(KH-550)/CE复合材料的综合性能最佳。AlPO_4(KH-550)/CE复合材料的性能与AlPO_4(KH-550)含量密切相关。 AlPO_4(KH-550)加入到CE中使材料的热分解机理从两步变为三步。随着AlPO_4(KH-550)含量的增加,材料的导热系数和贮存模量逐渐增大,tanδ不断下降,Tg降低,吸水率几乎不变。由适当含量AlPO_4(KH-550)组成的AlPO_4(KH-550)/CE复合材料具有比纯CE树脂更佳的综合性能。 将兼具突出耐热性和韧性的环氧改性甲基苯基有机硅树脂(E-Si)加入到AlPO_4/CE复合材料中,设计、制备了E-Si/AlPO_4/CE三元复合材料,系统研究了三元复合材料的性能,并与CE树脂和二元复合材料的性能进行了对比。研究结果表明,与二元复合材料和CE树脂相比,三元复合材料的冲击强度大幅度提高,当E-Si含量为15%时,三元复合材料的冲击强度增幅达50%。三元复合材料的初始热分解温度提高,热分解过程仍为三步,但第一最大分解速率峰向低温方向移动,Yc降低。在介电损耗正切值保持不变的情况下,三元复合材料介电常数、平衡吸水率、扩散系数均低于二元复合材料的相应值。 采用研磨法,以磷酸、氢氧化铝和水为反应物制备了磷酸铝胶(S-AlPO_4),其为多种磷酸铝的混合体系,pH值为3-4,具有很强的粘接性。与CE/EW-210二元复合材料相比,磷酸铝胶增加了材料的界面效应,从而提高了材料的力学性能。含15%S-AlPO_4的复合材料的冲击强度、弯曲强度、弯曲模量以及层间剪切强度分别提升了38%、6%、32%和45%。三元S-AlPO_4/CE/EW-210复合材料的热膨胀系数仅约为CE/EW-210的50%。15%AlPO_4/CE/EW-210具有最小的ε值(3.353)和最大的tanδ值(0.0133)。S-AlPO_4的加入改变了CE/EW-210复合材料的损耗峰形状,但其对Tg无负面影响。


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