熱塑性聚芳醚酮類樹脂基復(fù)合材料的制備及連接技術(shù)研究

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1、浙江大學(xué)博士學(xué)位論文秦明摘要熱塑性聚芳醚酮類樹脂基復(fù)合材料的制各及連接技術(shù)研究摘要本論文的工作主要分為兩部分，第一部分為新型熱塑性聚芳醚酮類樹脂基復(fù)合材料制備技術(shù)的探索研究，第二部分為熱塑性樹脂復(fù)合材料的熔融連接技術(shù)研究，主要包括加熱體植入電阻焊和新穎的非植入自電阻焊接技術(shù)研究。在第一部分工作中，首先探索了環(huán)狀聚芳醚酮開(kāi)環(huán)聚合制備熱塑性復(fù)合材料的方法。研究發(fā)現(xiàn)環(huán)狀聚芳醚酮齊聚物熔融溫度低，熔體粘度小，具有良好的流動(dòng)性，十分有利于充模成型及浸漬增強(qiáng)纖維。以K2C03為催化劑時(shí)，需要在較高的溫度下才能使開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)進(jìn)行完全，K2C03無(wú)毒

2、性且工藝性良好，但催化效能較低。根據(jù)環(huán)狀齊聚物的流變特性及開(kāi)環(huán)反應(yīng)條件，確定成型工藝，采用環(huán)狀齊聚物／催化劑預(yù)混法以及增強(qiáng)纖維，催化劑預(yù)浸漬法兩種工藝，分別制備了熱塑性復(fù)合材料。分析結(jié)果表明，催化劑投加方式對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生明顯影響，采用增強(qiáng)纖維，催化劑預(yù)浸漬法得到的復(fù)合材料具有更高的模量和層間強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，開(kāi)環(huán)聚合法制備熱塑性復(fù)合材料是可行的，但距離實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)多的工作需要深入，如探索催化能力更高且價(jià)廉低毒的催化劑體系，成本更低、更易合成的環(huán)狀齊聚物等。其次，研究了可控交聯(lián)型聚芳醚酮樹脂基復(fù)合材料的熱塑成型、交聯(lián)使用

3、的方法?？煽亟宦?lián)型聚芳醚酮(CCPAEK)具有良好的溶解性，可以采用溶液法制各預(yù)浸料。流變學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在340℃附近CCPAEK的流動(dòng)性迅速增加，因此在較低溫度下制備了熱塑性復(fù)合材料，成型工藝性良好。CCPAEK可熱交聯(lián)，但副反應(yīng)比較復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，380℃下對(duì)CCPAEK／CF熱塑性復(fù)合材料進(jìn)行熱交聯(lián)處理后，材料的性能降低。DMTA及DSC分析表明，CCPAEK／CF熱塑性復(fù)合材料經(jīng)過(guò)一定劑量電子束輻照處理后，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度小幅增加，同時(shí)力學(xué)性能也得到一定程度的提高。電子束輻照對(duì)復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)及性能的影響并不顯著，輻照前后材料

4、的層間剪切強(qiáng)度基本不變。SEM分析說(shuō)明，樹脂基體對(duì)增強(qiáng)纖維的浸漬良好，輻照交聯(lián)未對(duì)界面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的影響。第三，研究了熱塑性共混樹脂基復(fù)合材料的制備方法。采用濕法纏繞技術(shù)制各了共混樹脂基熱塑性預(yù)浸料，具有良好的鋪覆工藝性。預(yù)浸料制備過(guò)程中使用具有獨(dú)特層狀結(jié)構(gòu)的納米粘土作為調(diào)節(jié)劑，調(diào)整共混組分的比例，使工藝過(guò)程和預(yù)浸料性能保持穩(wěn)定。浙江大學(xué)博士學(xué)位論文秦明預(yù)浸料纖維體分隨納米粘土調(diào)節(jié)劑用量的增加而降低。納米粘土調(diào)節(jié)劑用量的變化對(duì)預(yù)浸料樹脂基體中PEEK相對(duì)含量的影響較小，納米粘土的調(diào)節(jié)作用機(jī)理有待進(jìn)一步深入研究。共混樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)

5、性能接近或超過(guò)純PEEK樹脂基熱塑性復(fù)合材料，且玻璃化溫度均有較明顯的增加。采用共混樹脂基預(yù)浸料結(jié)合簡(jiǎn)單的輔助加熱工具就可以得到較復(fù)雜的制件形狀，預(yù)浸料本身良好的預(yù)浸漬狀態(tài)更為復(fù)雜制件的模壓成型提供便利，具有良好的工藝性。在第二部分工作中，首先研究了碳纖維增強(qiáng)熟塑性預(yù)浸料(帶)作為植入加熱體的熱塑性復(fù)合材料的植入電阻焊技術(shù)。制備了一維及二維碳纖維(織物)增強(qiáng)的熱塑性加熱帶?？疾炝撕附釉嚇哟罱蛹羟袕?qiáng)度與焊接時(shí)間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，3085／PEK-C熱塑性加熱帶導(dǎo)電均勻性很好，且單層加熱能力加高，可以滿足焊接過(guò)程對(duì)溫度的需要。研究發(fā)現(xiàn)

6、，單向碳纖維增強(qiáng)加熱帶與剪切受力方向的夾角對(duì)焊接接頭剪切力學(xué)性能的影響較大，搭接剪切強(qiáng)度隨角度增加而減小，且在90。時(shí)性能最差。剪切破壞往往發(fā)生在加熱帶中間層內(nèi)，其主要原因在于所制各的加熱帶內(nèi)部纖維與樹脂基體的相互浸潤(rùn)及作用力較差。加熱帶本身強(qiáng)度較低，因此成為焊接結(jié)構(gòu)中的弱點(diǎn)。提出了碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料自電阻焊接的概念及技術(shù)方法，對(duì)碳纖維增強(qiáng)先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料的導(dǎo)電性能的研究發(fā)現(xiàn)，碳纖維問(wèn)的搭接接觸電阻在復(fù)合材料層板橫向電阻中占主要地位。單向復(fù)合材料層板中碳纖維的屈曲和單位面積上的搭接點(diǎn)數(shù)目與復(fù)合材料成型方法和纖維體分密切相關(guān)，也

7、決定了復(fù)合材料橫向?qū)щ娦阅堋Ｏ冗M(jìn)復(fù)合材料的自電阻焊接技術(shù)具有焊接工作面內(nèi)焊接功率最大化的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可以在保證焊接面內(nèi)足夠焊接溫度的同時(shí)，大大降低母材本體的發(fā)熱，使焊接溫度分布更加合理。焊接面內(nèi)電流通量對(duì)焊接強(qiáng)度和母材變形量產(chǎn)生重要影響，電流通量增加，焊接溫度迅速升高，母材變形量隨之增加。焊接強(qiáng)度隨電流通量增加出現(xiàn)極大值，說(shuō)明過(guò)大的母材變形會(huì)導(dǎo)致明顯的應(yīng)力集中，從而影響力學(xué)性能。主題詞：熱塑性樹脂基復(fù)合材料，開(kāi)環(huán)聚合，電子束輻照，共混樹脂基復(fù)合材料，電阻焊接浙江大學(xué)博士學(xué)位論文秦明摘要StudyonPolyArylEtherKetone

8、MatrixThermoplasticComposites：ProcessingandFusionBondingTechnologiesAbstractThisdissertationiscomposedoftwopar