“離位”增韌液態成型複合材料的微結構與性能關係

《“離位”增韌液態成型複合材料的微結構與性能關係》是依託廈門大學，由胡曉蘭擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：“離位”增韌液態成型複合材料的微結構與性能關係
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：胡曉蘭
• 依託單位：廈門大學

項目摘要

樹脂轉移模塑（RTM）技術中樹脂低黏度和複合材料高韌性是一個焦點矛盾，離位複合增韌技術為這一矛盾提供了一個很好的技術解決方案，雙馬來醯亞胺（BMI）樹脂作為目前航空複合材料中較為理想的RTM專用樹脂之一，現用增韌層熱塑性樹脂（TP）在工藝特性方面與其存在相容性與匹配性問題，針對TP/BMI/CF（碳纖維）複合材料，進行新型增韌層樹脂的研製，研究TP/BMI複合體系的溶解特性、流變特性、分相行為的時間-溫度依賴性；針對TP/BMI/CF複合材料，結合高分辨Micro-CT、XAFS、TEM/SEM等在多層次、多尺度範圍內研究複合材料裂紋的形成與擴展、相分離過程、相形態與分布、相界面與組成等層間微結構與力學性能特別是材料衝擊後壓縮性能的關係規律，通過研究含損傷的複合材料結構在壓縮破壞過程中的失穩過程、破壞模式與破壞機理，揭示複合材料增韌的客觀本質，促進航空高性能樹脂基複合材料的發展。

結題摘要

傳統的原位增韌技術會使改性後樹脂體系的黏度大增，無法適用於先進樹脂基複合材料的液態成型工藝方法。“離位”複合增韌技術為液態成型樹脂基複合材料提供了一個樹脂低粘度和複合材料高韌性之間矛盾的良好解決方案。本項目針對“離位”複合增韌技術中關鍵的熱固性樹脂基體和熱塑性樹脂增韌組分之間的溶解特性、流變特性、工藝特性，以及相分離過程、相分離形態等問題開展了研究，對新型航空用高性能樹脂基複合材料的研發具有有益的指導意義。通過對航空用樹脂基複合材料現用的酚酞改性聚芳醚酮（PAEK-C），以及新型的含聯苯聚芳醚酮(PAEK-B)和含磷聚芳醚酮(PAEK-P)等幾種熱塑性樹脂增韌組分與熱固性樹脂基體雙馬來醯亞胺樹脂（BMI）之間的溶解特性、流變特性、工藝特性等進行了較為系統的研究，並在黏度實驗的基礎上，根據多參數阿累尼烏斯方程建立了樹脂體系的化學流變模型，對複合材料的成型工藝過程具有良好的指導作用。原位觀察表征了PAEK-C和兩種新型熱塑性樹脂增韌組分（PAEK-B和PAEK-P）與BMI樹脂基體間的相分離過程，分相行為的時間-溫度依賴特性，以及增韌劑組分在複合材料中的最終分相形貌。通過複合材料的韌性表徵發現，增韌後複合材料的損傷面積減小，衝擊後壓縮性能增大。通過Micro-CT對複合材料衝擊後壓縮破壞層板的原位無損微觀結構觀察發現，在熱塑性樹脂增韌層“離位”層間增韌複合材料中，裂紋擴展時沿纖維織物橫向發展的裂紋增加，由此減小了縱向發展的裂紋能量，有效分散了裂紋前端能量，使複合材料的損傷痕跡變輕，損傷面積減小，韌性增加。同時項目還從“離位”複合增韌思想出發，建立了連續格線碳納米管膜層間增韌液態成型樹脂基複合材料。經過初步的研究發現，在碳纖維增韌樹脂基複合材料的層間，碳納米管與樹脂基體共同承擔載荷，這種由碳納米管相互交疊、纏結而形成的網路結構能有效地阻礙層間微裂紋的擴展，從而起到很好的層間增韌的目的。這種“離位”層間增韌方式避免了熱塑性樹脂增韌組分與熱固性樹脂基體間需要有良好的溶解、流變特性的匹配性問題，對液態成型複合材料的增韌也具有顯著的作用。