热塑性基体聚苯硫醚（PPS）及其航空复合材料的强韧化与结晶结构调控

【类型】学位论文

【作者】徐英凯 

【关键词】 聚苯硫醚(PPS) 碳纤维复合材料 强韧化 结晶结构

【摘要】聚苯硫醚(polyphenylene sulfide,PPS)因具有高强度、高模量、很强的热稳定性和化学稳定性等优点,近年来作为高性能特种工程树脂被用于航空复合材料基体。但是,以PPS基为代表的热塑性碳纤维(carbon fiber,CF)复合材料相对于热固性复合材料的强度较低,需要进一步提高才能替代热固性材料在航空领域大规模使用。纤维增强树脂基复合材料的力学薄弱点在于界面和基体,本论文通过对PPS结晶结构的调控来实现PPS基体的强韧化,最终建立高强度PPS/CF复合材料的成型方法。取得的主要研究结果如下。采用压力诱导流动(Pressure-induced flow,PIF)成型方法对PPS树脂基体进行强韧化改性处理,讨论了成型温度和压力等工艺参数对PPS综合力学性能及结晶结构的调控作用。实验结果表明,这种方法可以显著提高PPS的强度和韧性。当成型温度为210℃、成型压力为615MPa、压缩比达到3.0时,PIF成型PPS的综合力学性能提高幅度最大,拉伸强度由原来的85.17MPa提升至186.42MPa,冲击强度由原来的37.42kJ/m2提升至81.29kJ/m2。通过扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)、示差扫描量热分析仪(Differential scanningcalorimetry,dsc)、同步辐射小角x射线散射和衍射(smallanglex-rayscatteringanddiffraction,saxsandwaxd)等检测手段对其微观形貌和结晶结构进行表征,发现在pif成型过程的应力场和剪切场下,pps中片晶发生破碎、取向和有序排列,这些破碎的晶粒折叠链沿流动方向(flowdirection,fd)取向,重新排列形成有序层状结构,但保持原有的结晶度和熔点。在pif成型pps中,晶区和非晶区的薄弱界面沿fd方向取向,导致材料断面布满沿fd方向扩展的银纹和空穴,断裂表面大幅增加,呈现韧性的断裂微观形貌。这是pps材料韧性和强度提高的主要原因。为了将pif成型法用于pps基复合材料的强韧化,而避免固态流动中可能引起的cf-pps界面破坏、cf折断等问题,对pif成型法进行改进,使塑性形变发生于材料的结晶过程中,称之为降温pif成型法。研究结果表明,降温pif成型法也可以提高pps材料的力学性能,当以42.14℃/min的降温速率降至成型温度150℃,成型压力为320mpa、压缩比达到1.69时,材料的综合力学性能达到较高值,其中拉伸强度达120.26mpa,冲击强度为40.21kj/m2,相比较未经处理的材料分别提高了40%和10%。成型温度为270℃时,材料的拉伸强度和冲击强度相比较未经处理的材料分别提高了15%和33%。适当提高降温速率可使pps形成较小晶粒,经过降温pif成型后,pps片晶的c轴沿着fd取向,在材料中形成了多级薄弱界面,这使得材料具有更高的强度。降温pif成型法使材料形成较小的晶粒,和pif成型法制备的pps相比,更不容易沿fd变形取向。因此,降温pif成型法对材料综合力学性能的提高幅度不及PIF成型法。尽管如此,这种方法成型材料的强度和韧性仍比未经PIF强韧化处理的材料有显著提高。本论文进而探索了将PIF成型方法应用于短CF及纺织结构碳纤维(carbon fiber fabric,CFF)增强PPS复合材料的可能性。结果表明,PIF成型PPS/CF断面中的CF与PPS树脂基体的界面结合良好,并无明显破坏,基体中富含银纹和空穴,呈现韧性断裂形貌。当成型温度为240℃、成型压力为263MPa时,PPS/CF复合材料的强度和韧性均提高近2倍。通过SEM、DSC和WAXD分析,PIF成型复合材料中PPS基体呈现有序层状堆砌的微观结构,PPS片晶c轴平行于FD发生取向。PIF成型方法使PPS/CFF复合材料的拉伸强度和冲击强度分别提高了8.1%和14%,弯曲强度和层间剪切强度并无明显下降。采用金相显微镜观测到,PIF成型的PPS/CFF界面结合良好且孔隙率并没有升高。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】东华大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】袁象恺

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