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热塑性聚芳醚酮类树脂基复合材料的制备及连接技术研究

秦明  
【摘要】: 本论文的工作主要分为两部分,第一部分为新型热塑性聚芳醚酮类树脂基复合材料制备技术的探索研究,第二部分为热塑性树脂复合材料的熔融连接技术研究,主要包括加热体植入电阻焊和新颖的非植入自电阻焊接技术研究。 在第一部分工作中,首先探索了环状聚芳醚酮开环聚合制备热塑性复合材料的方法。研究发现环状聚芳醚酮齐聚物熔融温度低,熔体粘度小,具有良好的流动性,十分有利于充模成型及浸渍增强纤维。以K_2CO_3为催化剂时,需要在较高的温度下才能使开环聚合反应进行完全,K_2CO_3无毒性且工艺性良好,但催化效能较低。根据环状齐聚物的流变特性及开环反应条件,确定成型工艺,采用环状齐聚物/催化剂预混法以及增强纤维/催化剂预浸渍法两种工艺,分别制备了热塑性复合材料。分析结果表明,催化剂投加方式对复合材料的力学性能产生明显影响,采用增强纤维/催化剂预浸渍法得到的复合材料具有更高的模量和层间强度。实验结果说明,开环聚合法制备热塑性复合材料是可行的,但距离实际应用还有相当多的工作需要深入,如探索催化能力更高且价廉低毒的催化剂体系,成本更低、更易合成的环状齐聚物等。 其次,研究了可控交联型聚芳醚酮树脂基复合材料的热塑成型、交联使用的方法。可控交联型聚芳醚酮(CCPAEK)具有良好的溶解性,可以采用溶液法制备预浸料。流变学研究发现,在340℃附近CCPAEK的流动性迅速增加,因此在较低温度下制备了热塑性复合材料,成型工艺性良好。CCPAEK可热交联,但副反应比较复杂。实验结果表明,380℃下对CCPAEK/CF热塑性复合材料进行热交联处理后,材料的性能降低。DMTA及DSC分析表明,CCPAEK/CF热塑性复合材料经过一定剂量电子束辐照处理后,玻璃化转变温度小幅增加,同时力学性能也得到一定程度的提高。电子束辐照对复合材料界面结构及性能的影响并不显著,辐照前后材料的层间剪切强度基本不变。SEM分析说明,树脂基体对增强纤维的浸渍良好,辐照交联未对界面结构产生明显的影响。 第三,研究了热塑性共混树脂基复合材料的制备方法。采用湿法缠绕技术制备了共混树脂基热塑性预浸料,具有良好的铺覆工艺性。预浸料制备过程中使用具有独特层状结构的纳米粘土作为调节剂,调整共混组分的比例,使工艺过程和预浸料性能保持稳定。 浙江大学博卜学位论文秦明 摘要 预浸料纤维体分随纳米粘土调节剂用量的增加而降低。纳米粘土调节剂用量的变化对预 浸料树脂基体中PEEK相对含量的影响较小,纳米粘土的调节作用机理有待进一步深入 研究。共混树脂基复合材料的力学性能接近或超过纯PEEK树脂基热塑性复合材料,_且 玻璃化温度均有较明显的增加。采用共混树脂基预浸料结合简单的辅助加热工具就可以 得到较复杂的制件形状,预浸料本身良好的预浸渍状态更为复杂制件的模压成型提供便 利,具有良好的工艺性。 在第二部分工作中,首先研究了碳纤维增强热塑性预浸料(带)作为植入加热体的 热塑性复合材料的植入电阻焊技术。制备了一维及二维碳纤维(织物)增强的热塑性加 热带。考察了焊接试样搭接剪切强度与焊接时间的关系,实验结果说明,3085川EK一C 热塑性加热带导电均匀性很好,且单层加热能力加高,可以满足焊接过程对温度的需要。 研究发现,单向碳纤维增强加热带与剪切受力方向的夹角对焊接接头剪切力学性能的影 响较大,搭接剪切强度随角度增加而减小,且在90“时性能最差。剪切破坏往往发生在 加热带中间层内,其主要原因在于所制备的加热带内部纤维与树脂基体的相互浸润及作 用力较差,加热带本身强度较低,因此成为焊接结构中的弱点。 提出了碳纤维增强热塑性复合材料自电阻焊接的概念及技术方法,对碳纤维增强先 进热塑性复合材料的导电性能的研究发现,碳纤维间的搭接接触电阻在复合材料层板横 向电阻中占主要地位。单向复合材料层板中碳纤维的屈曲和单位面积上的搭接点数目与 复合材料成型方法和纤维体分密切相关,也决定了复合材料横向导电性能。先进复合材 料的自电阻焊接技术具有焊接工作面内焊接功率最大化的独特优点,可以在保证焊接面 内足够焊接温度的同时,大大降低母材本体的发热,使焊接温度分布更加合理。焊接面 内电流通量对焊接强度和母材变形量产生重要影响,电流通量增加,焊接温度迅速升高, 母材变形量随之增加。焊接强度随电流通量增加出现极大值,说明过大的母材变形会导 致明显的应力集中,从而影响力学性能。


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