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酚酞基聚芳醚砜/环氧树脂基耐低温复合材料的制备与性能研究
李寅生1
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摘要
随着深空探索领域的日新月异，发展新一代廉价、大容量和可回收空间飞行器和运载火箭成为目前各国航天领域的发展趋势之一。而低温推进剂贮箱作为航天器中最关键的部分之一，其轻量化程度直接影响其的整体服役性能。在考虑新一代轻型低温推进剂贮箱材料时，碳纤维增强树脂基复合材料以其低密度和高比强度成为航空航天飞行器的关键材料，其在减轻结构重量、提高结构效率方面具有显著优势。然而，在液氢、液氧等超低温环境下，碳纤维增强树脂基复合材料的整体结构受到极端使用环境的考验，树脂基体的质脆、耐冲击性差的缺点是上述问题的主要原因。因此，提高环氧树脂基体在常温和超低温环境下的韧性对碳纤维复合材料在低温推进剂贮箱应用有着重要意义。 本文选用具有快速溶解优势的高性能工程塑料——酚酞基聚芳醚砜（PES-C）作为改性剂，与环氧树脂（EP）共混以改善树脂常温和低温下的韧性和力学性能。运用热溶法设计制备了一系列的PES-C/EP二元共混体系，并研究了不同PES-C含量对共混体系固化动力学和流变性能的影响。此外本文通过多种表征手段系统研究了不同 PES-C 含量的 PES-C/EP 体系的化学结构与相结构、室温/超低温下抗冲击性和力学性能等综合性能，同时采用数值模拟方法研究了共混体系相结构演变的过程。结果发现，不同PES-C含量的PES-C/EP共混体系具有不同的相结构，通过 PES-C 含量的调整可以实现相结构的调控。不同的相结构对复合材料的性能有很大影响，当体系处于成熟的双连续相结构时（PES-C含量为20phr时），浇铸体在常温（RT）和超低温（-183℃）下的冲击强度、断裂韧性、拉伸强度和弯曲强度达到最大分别为58.1kJ/m2、1.74MPa·m1/2、85.3MPa、95.4MPa（RT）和43.1 kJ/m2、2.72 MPa·m1/2、145.2MPa、212MPa（-183℃），常温下比纯EP提高了 182%、116%、60.5%和 24.8%；在超低温下提高了 105%、80.4%、45.2%、46.2%。成熟双连续相结构的良好的界面粘连、剪切屈服、桥联约束效应和裂纹滞阻效应是其主要增韧机理。 在上述研究的基础上，为了解决高PES-C含量（25phr）下PES-C/EP浇铸体因相反转结构相界面粘附较差导致韧性和力学性能下降的问题，采用向共混物中加入具有反应活性的改性剂的方式，调节反应诱导相分离（RIPS）行为，增强界面粘附力。本文使用溶胶-凝胶自组装法制备了一面为氨基一面为苯基的Janus纳米片（NH2-silica-Ph JNs，简称JNs）并将其与高PES-C含量（25phr）的PES-C/EP体系共混。详细研究了JNs的分布和JNs对PES-C/EP体系最终相结构的影响。结果发现，JNs 由于两亲性和皮克林乳液效应而倾向于在两相界面处分布。JNs的引入提高了PES-C/EP共混体系的复粘度和固化反应速率，从而大大抑制了相分离的发展，并有助于将复合材料的最终形态冻结在双连续阶段。在混合和交联后，JNs在两相界面上与PES-C和EP选择性结合，可有效地在两相之间传递应力且提高相界面粘结，同时双连续相结构也有利于提高复合材料的力学性能。当JNs的添加量为0.4phr时，复合材料的常温和超低温下的冲击强度、拉伸强度达到最佳，与未加入JNs的体系相比，常温下提高了43%、35%，-183℃下提高了47%、26%。
关键词
航天器/低温推进剂贮箱/耐低温复合材料/环氧树脂/酚酞基聚芳醚砜/Janus纳米片/韧性分析/力学性能引用本文复制引用
授予学位
硕士学科专业
高分子化学与物理导师
王大明学位年度
2024学位授予单位
吉林大学语种
中文中图分类号
V2