1、纖維增強聚合物基復合材料具有較高的比強度、比模量,是復合材料中最為重要的一類,其性能取決于所采用的增強纖維和聚合物基體,更取決于纖維和基體之間的界面結合狀態(tài)。在本文的研究中,采用了高性能的碳纖維和玄武巖纖維織造成先進的三維結構預制件作為復合材料的增強體,采用最有應用前景的聚酰亞胺這一高性能聚合物作為基體,以常壓等離子體處理碳纖維以改善界面結合狀態(tài)。用作纖維增強復合材料基體的耐高溫聚合物中,聚酰亞胺是具有很大發(fā)展前途的一類聚合物。三維機織

2、物是一種先進紡織結構的纖維預制件,使用三維結構的纖維預制件作為聚合物基復合材料的增強體,是傳統(tǒng)的兩維結構纖維增強聚合物基復合材料易分層問題的有效解決途徑。在本論文的研究中,設計了一種浸漬/熱壓兩步法制作了三維玄武巖纖維機織物、三維玻璃纖維機織物與三維碳纖維機織物增強的PMR型聚酰亞胺復合材料并對復合材料的力學、熱學和電學性能進行了表征。使用三維玄武巖纖維機織物和三維玻璃纖維機織物為纖維增強體,使用聚乙烯基酯和PMR型聚酰亞胺為基體,制作

3、了四種復合材料并測試了材料的介電常數(shù)和介電損耗,并將兩種三維玻璃纖維機織物增強的聚合物基復合材料的實測介電常數(shù)與通過模型估算的介電常數(shù)進行比對。纖維增強聚合物基復合材料的整體性能以及應力在纖維和基體間的傳遞方式在很大程度上受纖維/基體界面結合狀態(tài)的影響。碳纖維表面的等離子體處理可以有效提高纖維/基體界面間的結合強度。在本論文的研究中,使用He/O2常壓等離子體對碳纖維進行表面處理并對處理前后碳纖維的強力、表面形貌、潤濕性能及表面化學組分

4、進行分析,使用單纖維斷裂長度實驗方法評價了等離子體處理對碳纖維/聚酰亞胺界面結合的強度。1.使用3,3’,4,4’-二苯醚四酸二酐(ODPA)、4,4’-二氨基二苯甲烷(MDA)和5-降冰片烯-2,3-二酸酐(NA)制備了PMR型聚酰亞胺。對PMR型聚酰亞胺預聚物的粉末進行了熔融流變性能測試。根據(jù)降冰片烯封端的PMR型聚酰亞胺的固化機理和預聚物粉末熔融流變測試的結果,優(yōu)化設計了一種浸漬/熱壓兩步法制作三維機織物增強PMR型聚酰亞胺基復合

5、材料。使用三維玄武巖機織物、三維玻璃纖維機織物和三維碳纖維機織物作為增強體,通過浸漬/熱壓兩步法制作了三種三維機織物增強PMR型聚酰亞胺復合材料。2.對不同濃度的PMR型聚酰亞胺單體溶液的黏度進行了測試并確定使用65％固含量的單體溶液來制作復合材料。使用差示掃描量熱(DSC)分析研究預聚物粉末的熱行為,并對經(jīng)歷不同升溫程序的預聚物粉末進行傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析。使用動態(tài)力學分析(DMA)研究了固化后PMR型聚酰亞胺的耐熱性能

6、,其玻璃化轉變溫度(Tg)為366℃。使用掃描電子顯微鏡(SEM)對復合材料的內(nèi)部結構進行了觀察,并使用ASTM標準方法計算了材料的孔隙率。使用熱失重分析(TGA)研究三種復合材料的耐熱性能,三種材料均表現(xiàn)了優(yōu)異的耐熱性能,在450℃之前沒有明顯失重,加熱到850℃,材料仍具有很高的重量保持率。測試了三維玄武巖織物增強PMR型聚酰亞胺復合材料的拉伸性能,其拉伸強度和拉伸模量分別為436MPa和22.7GPa。使用三點彎曲實驗測試三種復合

7、材料的彎曲性能,三種材料均表現(xiàn)出了多階段的逐層斷裂模式。3.以聚乙烯基酯和PMR型聚酰亞胺為基體,以三維玄武巖纖維機織物和三維玻璃纖維機織物為預制件制作了四種三維機織物增強聚合物基復合材料并使用諧振腔法測試了復合材料的介電常數(shù)和介電損耗。使用三維機織物聚合物基復合材料介電常數(shù)的理論模型對兩種三維正交玻璃纖維機織物增強聚合物基復合材料的介電常數(shù)進行估算并與實測值比對,結果表明,聚乙烯基酯復合材料介電常數(shù)的估算值與實測值吻合得較好,而聚酰亞

8、胺基復合材料介電常數(shù)的估算值與實測值吻合得不大理想,分析認為可能是加工過程中三維機織物增強體的變形導致了估算值和實測值之間較大的偏差。4.聚丙烯腈基碳纖維的表面使用He/O2常壓等離子體進行處理,處理的時間分別為16秒、32秒和64秒。使用單纖維拉伸測試在5mm、10mm、20mm和50mm四種測試隔距下研究等離子體處理對纖維強力的影響,測得的數(shù)據(jù)使用Weibull分布進行統(tǒng)計分析,結果表明,等離子體處理對較長隔距下的纖維強力影響不大,

9、在5mm的短隔距下纖維的強力反而有小幅度提高。使用掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)研究等離子體對碳纖維表面形貌的影響。SEM測試中發(fā)現(xiàn)等離子體處理對纖維表面具有一定的清潔作用,AFM測試的結果表明,纖維經(jīng)等離子體處理后表面粗糙度有所增加。對纖維表面的潤濕性能進行研究并評價纖維表面能的變化,經(jīng)等離子體處理后,纖維表面能增大,極化率增大。使用X射線光電子能譜(XPS)表征等離子體處理對纖維表面化學組分的影響。經(jīng)等離子體處理后

10、纖維表面的氧元素含量和含氧極性基團的含量增加。5.使用未處理和等離子體處理不同時間后的碳纖維制作單纖維聚酰亞胺基復合材料,通過單纖維斷裂長度來評估等離子體處理對纖維/基體界面結合強度的影響。使用偏振光顯微鏡觀察纖維在基體中的斷裂并使用攝像裝置記錄圖片。測試得到的纖維斷裂長度使用Weibull分布進行統(tǒng)計分析。通過界面剪切強度(IFSS)的計算可知等離子體處理增強了碳纖維/聚酰亞胺基體界面的結合強度。16秒、32秒和64秒的處理使IFSS