高温真空老化对X2101双马树脂基复合材料结构及力学性能的影响

目的研究高温-真空环境对新型X2101双马树脂基复合材料结构及性能的影响。方法采用管式炉分别在330,350,370,400℃等高温/真空耦合条件下对X2101双马树脂基复合材料层合板进行热老化处理,利用称重法、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、万能试验机和动态热机械分析仪(DMA)等测试手段表征分析老化条件对复合材料的质损率、化学结构、力学性能、动态力学行为的影响。结果复合材料的最高质损率低于4%。在350℃以下,热老化对基体树脂化学结构的影响较小,随着老化温度的升高,储能模量呈现出先增大后减小的趋势;350℃热老化10 h后复合材料的力学性能保持率在65%以上。结论 X2101双马树脂基复合材料是一种性能优良的耐高温结构材料,可用于制造在300℃高温下服役的航空航天结构件。

还原氧化石墨烯对复合材料电阻焊接头强度的增强作用

目的通过还原氧化石墨烯(RGO)与不锈钢网的结合,改善不锈钢网作为电阻焊接玻璃纤维增强聚醚酰亚胺(GF/PEI)层合板植入体时的界面性能。方法在相同的焊接工艺下,对不同焊接时间的焊接强度进行比较。利用扫描电镜、红外光谱、拉曼光谱对改进的Hummers法合成的氧化石墨烯(GO)和水合肼还原的GO进行表征。使用扫描电镜和动态接触角对包裹不同次数RGO的不锈钢网进行测试分析。以包裹不同次数RGO的不锈钢网为植入体进行电阻焊接试验,并对焊接强度和失效模式进行分析。结果不同的焊接时间下,确定120 s左右时达到最高单搭接剪切强度,为26.6 MPa。由于RGO的疏水性,表面包裹不同次数RGO的不锈钢网动态接触角由89.8°增长到127.7°。在优化后的焊接时间下,用包裹5次RGO的不锈钢网为植入体的电阻焊接强度达到最高,为41 MPa。同时,RGO的加入使电阻焊接失效模式由最初的不锈钢网直接剥离失效向不锈钢网与层合板同时撕裂失效转变。结论RGO包裹的不锈钢网有效地改善了纯不锈钢网作为植入体和PEI树脂的界面相容性,对电阻焊接接头强度有着明显的提高。

含酞Cardo结构聚芳醚酰亚胺树脂及其复合材料的设计合成与性能

以邻甲酚酞和对氯硝基苯为初始原料,经过亲核取代反应、硝基还原反应合成一种含酚酞结构的芳香二元胺(MPDA);MPDA再与双酚A型二醚二酐(BPADA)进行缩合反应,采用马来酸酐(MA)进行封端;最后,经环化脱水反应,制得马来酰亚胺封端的含酞Cardo结构聚醚酰亚胺齐聚物(mPEI-C)。利用FTIR、~1H-NMR、DSC、TGA及DMA等分析测试手段,表征了mPEI-C的化学结构、固化行为、耐热性能及其固化薄膜在不同温度下的力学性能。采用湿法预浸-模压法,制备T700炭纤维增强mPEI-C树脂基复合材料,测试表征了复合材料的力学性能,研究探讨了复合材料的破坏机制。研究结果表明,mPEI-C为无定型的低分子量齐聚物,具有优异的溶解性能和耐热性能,玻璃化转变温度达320℃以上,初始热分解温度接近430℃,室温下固化薄膜拉伸强度达130 MPa;其炭纤维复合材料的层间剪切强度和弯曲强度也分别达到了86.2、1481.6 MPa,且表现出良好的耐湿热能力。

表面处理对TC4钛合金-GF/PEI复合材料电阻焊接强度的影响

目的提高钛合金-复合材料电阻焊接界面强度。方法以不锈钢网、预浸料和树脂薄膜的组合结构作为界面植入体,利用脉冲电阻焊接技术连接钛合金和玻璃纤维增强聚醚酰亚胺(GF/PEI)层合板。对表面光滑的钛合金分别进行砂纸机械打磨以及H2O2/NaOH碱性混合溶液刻蚀处理,并通过能谱分析仪、扫描电子显微镜和静态接触角测试仪,分别对钛合金表面成分、形貌和粗糙程度进行分析。对表面处理后的钛合金和GF/PEI层合板进行电阻焊接,并对焊件进行单搭接拉伸剪切试验,以评估焊接头的强度。利用超声波扫描显微镜检测层合板内部损伤验证接头失效模式。结果通过机械打磨后的钛合金,表面粗糙程度增加,接触角从56.8°上升到84.8°。钛合金与PEI树脂的界面结合性能上升,使最大焊接强度提升187.0%。碱性混合溶液刻蚀后的钛合金,表面形貌随刻蚀时间(te)的增长呈现出不同的结构,并在刻蚀后期出现亚微米级的网络结构,同时伴随着表面接触角从56.8°上升到136.3°。钛合金表面的亚微米级网络结构与PEI树脂形成机械互锁结构来共同承担焊接头的力学性能,使最大焊接强度提升198.4%。接头失效分析显示,焊接初期接头的主要失效模式为钛合金板从界面处直接剥离;焊件强度达到最佳时,失效模式转变为植入体断裂。结论对钛合金进行机械打磨和刻蚀处理可以有效改善表面粗糙程度,从而提高钛合金-GF/PEI层合板的焊接头强度。

纳米碳混杂多孔复合材料的制备与性能

以2-乙基-4-甲基咪唑(2-ethyl-4-methyl,2,4-EMI)为还原剂,通过水热反应将氧化石墨烯和碳纳米管混杂形成纳米碳混杂材料(GO/CNTs/EMI)。以不同反应时间制备的碳纳米混杂材料(GO/CNTs/EMI-2 h和GO/CNTs/EMI-10 h)作为稳定剂,分别制备水包油型(O/W)和油包水型(W/O)Pickering乳液。以苯乙烯(Styrene,St)为油相的W/O型Pickering乳液聚合得到纳米碳混杂聚苯乙烯(PS)多孔复合材料(GO/CNTs/PS),对其进行性能及微观形貌分析。结果表明,通过控制水热反应时间,可以形成结构和两亲性可控的纳米碳混杂稳定剂;在纳米碳混杂稳定剂中GO与CNTs质量比为6∶ 1时,初始GO浓度为 6 mg · mL^-1 条件下,多孔复合材料电导率最大;初始GO浓度为2 mg · mL^-1 时,多孔复合材料的力学性能最佳。

含氰基和Cardo侧基马来酰亚胺封端聚醚酰亚胺的合成与性能

通过调整中间体二氨基化合物(CNMPDA)与双酚A二醚二酐(BPADA)的比例,设计并合成了3种不同相对分子质量的马来酰亚胺封端聚醚酰亚胺低聚物(CNMPEI)。采用傅里叶变换红外光谱和核磁共振氢谱对中间体和低聚物的化学结构进行了表征和分析;用凝胶渗透色谱法测定了低聚物的相对分子质量和分子量分布;对其堆积结构、溶解度、固化行为和机理、热稳定性及耐热性、复合材料的力学性能和耐溶剂性进行了系统研究。X射线衍射结果显示其衍射峰为弥散峰,为非晶态结构。这些低聚物在普通有机溶剂中具有良好的溶解性,其特性黏度在0.031~0.061 dL/g范围内。采用差示扫描量热仪测定了低聚物的热流曲线,在250℃以上出现了宽广的固化放热峰,马来酰亚胺和氰基分别在不同温度时参与了交联反应。CNMPEI聚合物具有较好的热稳定性,动态力学热分析结果显示,固化后的CNMPEI低聚物具有较高的耐热性。CNMPEI/CF复合材料具有优异的力学性能和耐溶剂腐蚀性。结果表明,在聚醚酰亚胺链中引入氰基和Cardo基团可以有效地改善其热性能。

火焰法原位生长碳纳米管增强TC4的熔融粘接性能

以不锈钢网,预浸料和热塑性树脂薄膜构筑加热粘接植入体,利用脉冲电阻熔接技术连接TC4合金。以火焰法原位制备的碳纳米管(CNTs)作为熔接界面的增强剂,借助扫描电子显微镜和静态接触角测试仪分别对改性前后的TC4合金表面形貌和粗糙程度进行分析。对表面改性后的TC4合金进行熔融粘接,并对熔接件进行单搭接拉伸剪切试验,以评估接头的强度。结果表明:CNTs改性后的TC4合金表面元素类别及含量发生改变,粗糙程度增加,接触角从61°上升到127°。TC4合金表面的CNTs涂层与聚醚酰亚胺(PEI)树脂形成机械互锁结构增强熔接接头的力学性能,使最大剪切强度(LSS)提升65.3%。接头失效分析显示,CNTs的存在使失效模式从层间分离转变为植入体断裂。

含酞cardo环和氰基环氧树脂的制备和性能

以酚酞(PP)和2,6-二氯苯腈为原料进行亲核取代反应合成含酞cardo环和氰基双酚化合物(PPCN),将其与环氧氯丙烷反应合成含酞cardo环和氰基环氧树脂(PPCE)。使用红外光谱和核磁共振等手段验证目标产物的结构。用动态差示扫描量热法(DSC)研究PPCE与甲基纳迪克酸酐(MNA)固化的固化工艺及固化动力学。用Kissinger方程计算出固化反应的活化能为57.78 k J/mol,用Crane方程计算出反应级数为0.76。动态热机械分析结果表明,完全固化的树脂体系的玻璃化转变温度为179℃;热失重结果表明,新型环氧树脂体系具有优异的热稳定性,用Broido方法计算出327℃~357℃阶段的活化能为52.88 k J/mol,357℃~574℃阶段的活化能为13.21 k J/mol。