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采用微波辐照技术制备热膨胀及玻璃化温度渐变的梯度聚合物材料的研究

刘学清  
【摘要】:梯度功能材料(FGM)是一类在结构和组成等因素上连续或准连续变化,从而性能相应于结构和组成变化而渐变的非均质复合材料,由于其优异的性能、新颖的设计思想及重要的应用背景受到先进工业国家广泛的关注和高度重视。在众多FGM的研究中,FGM的构造和功能设计以及新型FGM的开发是目前FGM发展的主流。 本文将无机物/无机物FGM的设计思想和聚合物/聚合物FGM的研究方法相结合,设计了无机物/聚合物和聚合物/聚合物两种体系的FGM、完成上述两类FGM的构造和性能设计。采用微波加工手段,确定了FGM设计中的所需的性能参数并制备出相应的FGM。 在无机物/聚合物FGM的研究中,以硅微粉(SiO_2)和环氧(EP)为组分,设计并制备了热膨胀渐变的SiO_2/EP FGM;在聚合物/聚合物FGM的研究中,选取聚氨酯(PU)、环氧(EP)为主要成分,设计并制备了玻璃化温度渐变的PU/EP FGM。上述体系的研究,不仅为无机物/高聚物以及高聚物/高聚物两种组合方式的FGM的结构和性能设计提供了理论上依据和数学模型,而且建立一套设计、制备、表征无机物/聚合物、聚合物/聚合物两种FGM的新方法。 每种材料体系研究内容分为三部分。(1) 探讨在微波照射下SiO_2/EP复合材料和PU/EP/DDM共聚体系的固化过程,弹性模量(E)、强度、热膨胀系数(α)、玻璃化温度(T_g)等性质,确立了固化条件与性质之间的关系;(2) 按照梯度材料设计理念设计出SiO_2/EP和PU/EP FGM,分别用解析法和有限元计算机模拟,完成SiO_2/EP和PU/EP FGM的热应力缓和特性设计,得到最佳设计结果;(3) 利用计算结果,运用涂层法,采用微波固化技术,制备出热膨胀渐变的SiO_2/EP FGM和玻璃化温度渐变的PU/EP FGM,模拟实际稳态温度场中应用环境,对热应力分布进行了计算,并对其结构和机械性能进行分析和研究。 具体研究内容和结果如下: 四川大学博士论文 Si认/Ep体系(无机物/聚合物) 1、利用微波辐照研究了5102/EP体系的固化,探讨了过程的热行为,以及 微波功率、辐照时间对体系的弹性模量(E)、热膨胀系数(。)的影响,在特定 的微波功率和辐照时间下,测定了不同配比的5102甩P体系的E、强度、Q及 导热系数(K),推导出体系的E、。、及K与体系组成之间的定量关系。 研究结果显示:在微波辐照功率一定,5102甩P体系固化时,其温度升至最 高点后缓慢下降。功率增加,体系温度升至最高点的时间缩短。510:的含量对 体系的微波吸收影响不大。当体系组成和微波辐照功率一定时,弹性模量、强 度(热膨胀系数)随照射时间增加而增大(减小)。体系的弹性模量与组成的定 量关系根据实测模量值,采用并联模型和串联模型加权平均来确定。热膨胀系 数、导热系数与组成的定量关系分别能很好的满足Keme:经验方程和Maxwen 方程。 2、基于经典的层合板理论,运用大量实测数据,基于热弹性理论及计算数 学方法,对si仇/EP体系内部各点的热应力进行了分析,提出了5102/EP体系 内部组成分布函数、温度分布函数及热应力计算公式。计算了在不同组成分布 函数下5102尼P FGM在稳态温度场中的温度分布及隔热应力分布。确定了最大 热应力与分布指数的关系,得到了热应力最小值的组成分布指数。 3、利用逐层浇注法,用微波固化制备了最佳组成分布指数n=1的11层 5102尼P FGM,利用烧蚀法测定了FGM的组成。该FGM的组成和线膨胀系数 及沿厚度方向呈梯度分布,在稳态温度场内,其温度和热应力呈线性变化 pU/Ep体系(聚合物/聚合物) 1、以4,4’一二氨基一二苯基甲烷(D DM)为交联剂,利用微波固化制备Pu甩P 聚合物,研究了微波功率、体系组成对固化过程热行为的影响。着重考察了微 波功率、固化时间对体系弹性模量及相容性的影响。并测定了在特定功率下, 不同组成的E、。、及Tg。 研究结果表明:当微波功率一定时PU尼P体系的温度分阶段变化,其温度 变化经历升温、恒定不变至迅速下降多个阶段。温度变化与体系的组成有关, PU含量增加能延缓体系在固化后期的降温速度。微波固化的体系与热固化体 四川大学博士论文 系具有相同的化学结构,但微波固化速率远远大于热固化;固化物的SEM、DSC 和TMA研究结果显示:PU尼P体系呈两相结构,微波功率对体系的相容性有 显著的影响,增加微波功率,体系的相容性增加。体系的弹性模量与微波功率 及固化时间有关,增加微波功率能提高强度和弹性模量,但弹性模量随时间变 化至一定程度后不再改变,在过高的微波功率下,体系模量增加但强度反而下 降。将热固化和微波固化的材料进行比较,结果发现:微波420w照射30分钟 所得的材料的弹性模量为1101 MPa,热固化120℃/6小时后其弹性模量才能达 到该值,因此,利用微波固化该体系,能大大提高固化速率。将微波功率固定 在42ow,不同组成的体系在此功率下幅照30分钟,分别测其Tg、E、。及K。 结果显示:该体系的T:随PU和EP的含量不同,可从160℃变化至一54℃,E 从2.8 GPa变化至0.068 GPa。 2、由于PU尼P/DDM体系有较宽的玻璃化转变和弹性模量变化范围,因此 我们设计了玻璃化温度渐变的PU/EP FGM,并且基于上述所测定的数值,利用 有限元法(FEA)计算


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