RTM聚酰亚胺复合材料_离位_增韧技术研究

第28卷　第6期

2008年12月

航　空　材　料　学　报

JOURNAL OF AERONAUTI CAL MATER I A LS

Vol 128,No 16　Dece mber 2008

RT M 聚酰亚胺复合材料“离位”增韧技术研究

刘志真1

,　李宏运1

,　邢　军1

,　益小苏1

,　杨慧丽2

,　王　震

2

(1.北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室,北京100095;2.中国科学院长春应用化学研究所,高分子工

程实验室,长春130022)

摘要:研究“离位”增韧对RT M 聚酰亚胺树脂基复合材料力学以及韧性性能的影响。结果表明:当增韧剂的含量为15wt%时,经“离位”增韧复合材料的室温层间剪切强度从97.9M Pa 提高到110MPa,而玻璃化转变温度和高温

(288℃)复合材料层间剪切强度略有降低。“离位”增韧后,P I 29731ES (F )/G0827复合材料的I 型层间断裂韧性(G I C )从310J /m 2提高到459J /m 2。经电镜分析表明,主要是由于将热塑性聚酰亚胺“离位”增韧P I 29731制备复合

材料时,可以在复合材料富树脂区形成相反转结构,在裂纹扩展的过程中,包覆热塑性聚酰亚胺的P I 29731粒子发生明显地取向和变形。

关键词:聚酰亚胺复合材料;RT M 成形;“离位”增韧;力学性能

中图分类号:T B332 文献标识码:A 文章编号:100525053(2008)0620072206

收稿日期:2008203227;修订日期:2008206230

基金项目:国家973项目(2003CB615604)和国家自然科学基金(10577018)

作者简介:刘志真(1977—),男,博士研究生,主要从事树脂基复合材料研究,(E 2mail )liuzz007@ 。

为了改善发动机的性能,有效的减轻重量、提高

推重比,聚酰亚胺(P I )树脂及其复合材料已被广泛地研究和应用于航空航天领域。P MR 型树脂由于其自身的物理和化学性质,主要是依靠模压或热压罐成型,成型非常困难,制造成本非常高,严重阻碍了其广泛应用。因此,开发能适用于低成本制造技术(如RT M 或RF I 工艺)的聚酰亚胺树脂及其复合材料已成为该领域的研究热点[1-5]

。 RT M (Resin Transfer Molding )是最常见的低成本液态成型工艺制造技术。其可以一步浸渗成型带有夹芯、加筋、预埋件的大型构件,具有固有的高性能、低成本制造优势。通过RT M 工艺来成型复杂制品,可以大幅度降低工艺成本(30%～50%)和提高工作效率,还有望解决聚酰亚胺树脂热稳定性和加

工性之间的矛盾问题[6～9]

。 由于适用于RT M 工艺成型的树脂分子量往往比较低,树脂固化后的韧性较差,因此,对相应的树脂进行增韧显得尤为重要。北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室(LAC )针对热固性树脂提出一种全新的增韧方法“离位”增韧技术[10～13]。“离位”增韧明确针对叠层复合材料的层间易损伤的缺点,将有效的增韧系统定位并限制在

层间,使其在层间最薄弱的环节充分发挥作用,提高

了层间增韧的有效性和增韧体系的使用效率。“离位”增韧技术对环氧、双马和聚酰亚胺等树脂均具有明显的增韧效果。其中,采用“离位”增韧技术能将预浸料/模压成形的聚酰亚胺(LP 215)的CA I 值从180MPa 提高到320MPa,大大提高复合材料的韧性,“离位”增韧技术已经成为一种对热固性树脂增韧的通用方法。 本工作旨在采用RT M 工艺,实现对一种新型的苯乙炔苯酐封端的聚酰亚胺(简称PETI 树脂)复合材料的低成本制造。在保持PETI 树脂基复合材料良好力学性能的前提下,结合“离位”增韧技术,通过RT M 工艺制备高韧性聚酰亚胺复合材料。

1　试验部分

111　原材料

RT M 聚酰亚胺树脂由中国科学院长春应用化学研究所提供,该RT M 聚酰亚胺树脂(P I 29731)在室温下为黄色粉末,其分子结构见图1。 热塑性聚酰亚胺树脂由LAC 合成。将等摩尔比的异构联苯二酐3,42B P DA 和4,42ODA 二胺加入到装有机械搅拌的三口瓶中,加入DMAc,使其固含量达到10%,室温搅拌反应12h,得到淡黄色澄清的聚酰胺酸溶液,经过亚胺化后即可制备4,4′2ODA 23,42BP DA 热塑性的聚酰亚胺。其分子结构见图2。

第6期RT M

聚酰亚胺复合材料“离位”

增韧技术研究图1　RT M 聚酰亚胺树脂的分子结构

Fig 11　The molecular structure of RT Mable polyi m ides

resin

图2　热塑性聚酰亚胺树脂的分子结构

Fig 12　The molecular structure of ther mop lastic

polyi m ides resin

112　热塑性聚酰亚胺薄膜的制备

首先,把3,42BP DA 24,4′2ODA 聚酰胺酸溶液倒

在干净的玻璃片上,用两端缠有细铜丝的光洁玻璃棒在干净平滑的玻璃板上推制成薄膜,放在恒温

(约80℃)的水平台上干燥3～6h,然后置于真空烘

箱中100℃/1h,225℃/1h 和320℃/30m in,停止加

热,冷却至室温后用蒸馏水煮,直至薄膜脱离玻璃板,晾干即得黄色透明的聚酰亚胺薄膜(P Is ),薄膜厚度可以根据溶液中预聚物的量可调,一般控制在

10～15

μm 。本试验选择厚度为12μm 的薄膜,热塑性树脂的理论含量为15wt%进行研究。113　“离位”增韧复合材料的制备 “离位”增韧技术是将增韧剂(薄膜)在铺层时直接定位于增强材料的层间,在RT M 过程中,经树脂流动和增韧剂进行扩散、渗透,最后热固性树脂固化交联形成复合材料。 本工作制备的复合材料单向板和G ⅠC 层合板的铺层按表1的顺序进行。

表1　复合材料平板“离位”增韧铺层顺序表

Table 1　The p ly sequence of flat composites

Item s

Ply Mold of Composites Thickness/mm

Volu me of fiber content

Unidirecti onal Composite

[0/0/0/0/0/0/0/0/0/0/0/0]T =12

2G ⅠC Composite

[0/0/0/0/0/0/0/0/0/0/0/0/0/0/0/0]T =18

3

55

Note:0denotes the directi on of p ly fiber;/denotes the p ly of t oughing fil m .

首先,按照模具尺寸,裁减不同铺层的碳纤维,

再将热塑性聚酰亚胺增韧薄膜均匀固定在增强织物G0827表面,然后将处理后的织物放入RT M 模具

中,对模具进行加热和抽真空处理,当模具温度达到280℃时,加压013MPa 开始RT M 注射,按照图3的

工艺参数进行固化,然后自然降温,取出RT M 复合材料板,进行超声波C 2扫描。

114　RT M 聚酰亚胺树脂及其复合材料性能测试标

准 玻璃化转变温度测试:测试采用单悬臂梁形式,将式样加工尺寸为45mm ×8mm ×2mm ,在氮气保

护条件下,将试样从室温升到450℃,升温速率5℃/

m in 。测试仪器型号是DMA 2000(美国T A 公司产品)。 扫描电子显微镜:将未增韧和薄膜法“离位”增韧的两种复合材料,取含有Ⅰ型层间断裂韧性起始端的部位进行超声波清洗30m in,在真空状态下60℃烘干,喷金150s,测试仪器及型号为H I T ACH I S 23000N (日本H itachi 公司)。 复合材料层间剪切强度按照G B /T 3357—1982进行;复合材料高温力学性能按照G B /T 9979—1986进行;I 型层间断裂韧性(G ⅠC )按照HB

3

7