高强高模聚酰亚胺纤维/环氧树脂复合材料力学性能与破坏机制

以高强高模聚酰亚胺（PI）纤维为增强体,以航空级环氧树脂（EP）为基体,通过热熔法制备预浸料并采用热压罐成型技术制备了PI/EP复合材料层合板,对其力学性能和破坏形貌进行了分析。结果表明:高强高模PI纤维与EP具有良好的界面结合力,PI/EP复合材料的层间剪切强度为65.2 MPa,面内剪切强度为68.6 MPa;良好的界面结合状态能充分发挥PI纤维优异的力学性能,PI/EP复合材料的纵向拉伸强度达1 835 MPa,弯曲强度为834 MPa;PI/EP复合材料纵向拉伸破坏模式为散丝爆炸破坏,同时由于高强高模PI纤维还具有优异的韧性和较高的断裂伸长率,PI/EP复合材料从受力到失效断裂的时间较长;PI/EP复合材料纵向压缩破坏模式为45°折曲带破坏。高强高模PI/EP复合材料为航空航天先进复合材料增加了一个全新的选材方案。      

凝固浴条件对聚酰亚胺纤维形貌和性能的影响

采用湿法纺丝获得聚酰胺酸(PAA)初生纤维,以水和N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)的混合溶液作为凝固浴,通过热酰亚胺化制备了均苯四甲酸二酐/4,4’-二氨基二苯醚(PMDA/4,4’-ODA)-聚酰亚胺(PI)纤维。系统研究了阱深长度、凝固浴温度及浓度对PI纤维形貌和性能的影响。结果表明:PAA纤维截面在阱深长度较小、凝固浴温度较低、DMAc浓度较低时呈不规则的腰形,随着阱深长度不断增加,凝固浴温度和浓度的增加,纤维截面都会逐渐趋于圆形。在阱深长度为50cm,凝固浴温度40℃,以3%(体积分数)DMAc作为凝固浴时,所得PAA纤维截面形貌较圆整,且PI纤维性能较好。     

共聚型聚酰亚胺纤维的结构与性能

通过湿法纺丝工艺制备了3,3′,4,4′-聚苯四甲酸酐(BPDA)-均苯四甲酸酐(PMDA)-对苯二胺(PPDA)三元共聚型聚酰亚胺纤维和用4,4′-二氨基二苯醚(ODA)部分代替PPDA的四元共聚型聚酰亚胺纤维,柔性单体ODA的引入有效提高了共聚纤维的断裂伸长率,但引起断裂强度、初始模量和玻璃化转变温度及热分解温度的降低。采用Kissinger和Flynn-Wall-Ozawa两种方法对两种纤维在空气中的热分解表观活化能进行了计算,均是加入ODA单体的共聚纤维的热分解表观活化能较低,由此造成其耐热性下降。     

高强高模聚酰亚胺纤维/改性氰酸酯树脂复合材料制备及性能

以4,5-环氧己烷-1,2-二甲酸二缩水甘油酯（TDE-85）、苯基缩水甘油醚（PGE）、壬基酚（NP）作为改性剂改性双酚A氰酸酯（BCE）得到改性氰酸酯树脂（TPNCE）,通过湿法缠绕制备预浸料,并采用热压罐成型工艺制备S30M型高强高模聚酰亚胺纤维/TPNCE（PI/TPNCE）复合材料,对TPNCE树脂及PI/TPNCE复合材料的介电、力学等性能进行了分析。结果表明,TPNCE树脂冲击强度达到14.2 kJ/m2,比BCE提高近一倍,固化温度下降了约43℃,与PI纤维界面结合较好,且保持较低的介电常数和介电损耗;PI/TPNCE复合材料0°拉伸强度达到1 485 MPa,弯曲强度达到758 MPa,压缩强度达到322 MPa,7~18 GHz范围内介电常数保持在3.15左右,介电损耗因子在0.005~0.0075之间,玻璃化转变温度为197℃,密度为1.28 g/cm3。本研究实现了高强高模PI纤维与氰酸酯树脂复合的重要突破,为轻质高强结构-功能一体化复合材料的设计和选材提供了新思路。