1树脂复合材料高温及耐湿热性能的研究.pdf

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1、第!卷#第 期!$年%月#航#空#材#料#学#报&()*+,-+.)*+(/01+,2+/.)0+,34567!，*57+898:;#!$玻璃纤维!甲基硅树脂复合材料高温及耐湿热性能的研究郭#旭，黄玉东，曹海琳（哈尔滨工业大学 应用化学系，黑龙江 哈尔滨=$甲基硅树脂复合材料高温下层间剪切强度的变化及耐湿热性。结果表明，室温?%$过程中层间剪切强度随温度升高不断降低，%$?$层间剪切强度保持不变。采用 0)对甲基硅树脂在室温，A$，%$及 甲基硅树脂复合材料%$时树脂与纤维的结合变化。耐湿热性实验表明，复合材料经$C 水煮后吸水率仅有!7 D=E，层间剪切强度下降!甲基硅树脂复合材料；层间剪切

2、强度；耐湿热性中图分类号：/GDD!#文献标识码：+#文章编号：$=H=$=D（!$）$H$=H$#随着航空技术的发展，航空器的巡航速度越来越高，第四代战斗机的一个重要特征就是能够超音速巡航，即在 7 I$J?7=I$J 高空，不加力的情况下保持高马赫数的巡航能力。这种情况下飞行气动中心后移，气动加热明显加大，对作为气动表面材料的树脂基复合材料的使用温度、湿度提出更苛刻的要求，如战斗机机翼蒙皮温度最高达 D$（高湿环境下）甲基硅树脂复合材料高温过程中层间剪切强度的变化及复合材料的耐湿热性进行初步探讨，利用热失重和红外光谱分别对甲基硅树脂的耐热性及高温结构变化进行分析，采用扫描电镜对复合材料高温

3、下树脂与纤维结合变化进行分析。收稿日期：!$DHH$K；修订日期：!$H$HD$作者简介：郭旭（FK=H），女，博士研究生，主要从事有机硅树脂合成、改性及以有机硅树脂为基体复合材料的研制。#实#验7#原材料#甲基硅树脂的制备：将 J56 甲基三乙氧基硅烷、D J56 水、微量盐酸分别加入四口圆底烧瓶中，在搅拌下逐步升温到 K%?%$，在回流温度下反应?AC，然后加入适量的中和剂将盐酸除去，蒸出乙醇及过量水，当反应温度达到$时，立即停止加热，取出反应物即得无色透明甲基硅树脂。为了便于使用和贮存，配成=$E乙醇溶液。#玻璃纤维：陕西兴平玻璃纤维厂生产，使用前采用 OPH=$处理以提高树脂对纤维的浸

4、润性。7$#试样制备#将完全浸渍树脂的玻璃纤维均匀缠绕到铝框上，放到密闭的模具中，采用如图 所示的程序制备。7%#复合材料层间剪切强度测试#将制备好的复合材料按所需温度要求在马弗炉内灼烧，并保温!$JNM。按照 BG DD=K%!在 QRH型电子万能实验机上进行测试。层间剪切强度按下式计算：#!S#$式中：#为破坏载荷；#为试样受剪宽度；$为试样受剪面高度。7&#固化树脂的性能测试#采用美国产*0B,./H*LT8:AK$型-/0)光谱仪分析器。将固化好的树脂采用 OGU 压片法做红外光谱分析。万方数据航!空!材!料!学!报第#卷图$!玻璃纤维%甲基硅树脂复合材料成型工艺&()$!*+,-./

5、01(23.4,55.6(/755 68,3%5/4.1,4.-2.59,5!固化树脂的耐热性采用:;公司的*热重分析。升温范围：室温?$#A；升温速率：$A%-1；气氛：空气。!)#扫描电镜分析!利用日本 BCD=E#型扫描电子显微镜（C;D）观察试样的破坏断口形貌。!)$#复合材料的耐湿热性!参考 D:7 并保持不变。%)%#高温下甲基硅树脂结构变化!图#给出了甲基硅树脂在不同温度下的红外光谱图。室温下存在 I#?I4-K$CLM 的吸收带，$J4-K$和 J4-K$处 CNMI的伸缩振动吸收带，E#4-K$处CLNMI吸收带和$I?图!玻璃纤维%甲基硅树脂复合材料试样受到层间剪切力后照片

6、（7）室温下；（8）EA&()!:+.9.(372+.6&%-,9+O/5/4.1,4.-2.59,5 P10,3 19,3/7O,3 5+,73 593,1(9+（7）3.-9,-2,379P3,；（8）EA图 I!玻璃纤维%甲基硅树脂复合材料层间剪切强度随温度的变化关系&()I!Q,/79.15+2 8,9R,1 9+,9,-2,379P3,710STCC.6 J4-K$处CNMI吸收带。!从图 G 甲基硅树脂的*A甲基硅树脂开始有明显的热失重，随着温度的升高热失重缓慢增加，约 IGA 后失重速率增大，EA后失重速率减小，并随着温度的升高不再发生热失重，此时失重率达到$#U 左右。硅树脂在

7、空气中的热失重主要是由主链降解造成的。当温度大于IGA时，树脂在受热降解时不只是 CL 键断开产生环体，同时 CNMI断开产生 NM#。此外，体系中J#万方数据第!期玻璃纤维 甲基硅树脂复合材料高温及耐湿热性能的研究图!#甲基硅树脂在不同温度下的红外光谱图$%&!#$()*+,-./0123 45 3.0678,%8%/49.1.,%9:0;%55.1.90 0.3-.1:021.图#甲基硅树脂的(=曲线$%&.541 3.0678,%8%/49.1.,%9含有的?与 A%BC易脱 BC?产生交联，这些降解导致树脂在以后失重率迅速增加，直至失去大部分有机成分，最后，当温度升高到 DEEF 后，

8、失重率达到 G!H 左右，基本保持不变，说明甲基硅树脂有良好的耐热性。#甲基硅树脂随着温度的升高发生热分解反应，分子链断裂并重组，造成树脂与纤维结合力下降，相应复合材料的层间剪切强度下降；另一方面高温下甲基硅树脂分解的气体小分子跑掉，造成了复合材料的空隙率增加，也影响层间剪切强度。!#复合材料的显微结构#复合材料的界面起传递载荷的作用，界面粘结强度的高低直接影响载荷传递的效率，为了了解甲基硅树脂与玻璃纤维复合材料界面粘结强度在高温过程中的变化，对复合材料破坏断口的形貌进行观察。图I 是玻璃纤维 甲基硅树脂复合材料的破坏断口形貌，图 J 是 DEEF下的玻璃纤维 甲基硅树脂复合材料的破坏断口形貌

9、。#由图 I 可见，玻璃纤维断面分布大量的甲基硅树 脂，表明树脂与纤维结合得较好。图J中复合材图 I#复合材料断口形貌 AKL 照片$%&I#AKL-6404&1:-6 45=$3.0678),%8%/49./43-4,%0.,图 J#复合材料 DEEF断口形貌 AKL 照片$%&J#AKL-6404&1:-6 45 DEEF=$3.0678),%8%/49./43-4,%0.,料经 DEEF高温后，玻璃纤维断面分布着甲基硅树脂热分解的残余物，基体与增强材料的结合力下降，造成粘接强度的下降，这也是高温下层间剪切强度降低的原因。!$#复合材料的耐湿热性#复合材料吸水后尺寸发生变化引起翘曲变形，水

10、不仅能够破坏聚合物的主价键，也能破坏次价键，而热的作用使聚合物分子活化，从而加速破坏过程。高速飞行的飞行器受到从大气中吸收的潮气与飞行中气动加热共同作用的影响，因而对材料的耐湿热性要求相对较高。为了进一步了解水对甲基硅树脂基复合材料的影响，对玻璃纤维 甲基硅树脂复合材料在不同水煮时间下的吸水率、层间剪切强度进行了测定（图 D）。从图 D 水煮时间与吸水率、层间剪切强度的关系曲线可看出，随着水煮时间增加，复合材料的吸水率逐渐增大，层间剪切强度相应减小。当复合材料经 GEE6 水煮，复合材料的吸水率仅为M CH，层间剪切强度下降 MG NH。吸水后复合材料的层间剪切强度下降主要是由于水对复合材料界

11、面的破坏作用。进入界面的水分首先使树脂溶胀，溶胀使界面产生横向拉伸应力N，这种应力超过树脂与纤维间的粘结强度时，界面发生破坏。J!万方数据航!空!材!料!学!报第#卷图$!水煮时间对玻璃纤维%甲基硅树脂复合材料吸水率和层间剪切强度的影!&()$!*+,-./0+1023(4.5,03 67.,8 71/089.0373:;&%5,.?2/2-03,-0590/.,/A!结!论!（B）甲基硅树脂有良好的耐热性，$CCD后失重率保持在 B#E。甲基硅树脂热分解造成分子链断裂，影响树脂与纤维结合力，导致层间剪切强度下降。!（）扫描电镜观察复合材料$CCD 下纤维表面分布一些甲基硅树脂热分解残余物。!

12、（A）玻璃纤维%甲基硅树脂复合材料有较好的耐湿热性，水煮BCC?后吸水率仅有)AFE，层间剪切强度下降 B)GE。参考文献：B余江)新一代航空部件用树脂基结构材料 H)化工新型材料，BGGI（#）：G JA)黎义，张大海，陈英，等)航天透波多功能材料研究进展H)宇航材料工艺，CCC，AC（F）：B JF)AKLMN*)O(?9,8+08573-,87:05,P 73.,337 57.,872/Q)O(?R,8+08573-,S0590/.,/S)BGGF)#&QTQ*H S)Q,80/97-,57.,872/73:/.8X-.X872 8,/,78-?3.0.?,3,.522,33X5 Q)#

13、.?;3.,837.0372=QVR*=590/X5 S)BGGI)#AF J#FB)I付善菊，王飞，韩哲文，等)短纤维、硅树脂复合材料的性能研究 H)功能高分子学报，CCC，BA（B）：Y JBC)$Q*W S，LUK*LN V，ZQT;Z S，!#$)S?787-.,87.030+87:7.0343:X-,:7(3(3/2-748,3+08-,:902/2073,-0590/.,/H)L7:7.03 R?/-/73:S?,5/.8，CCC，FG：#GA JFCC)GK*OU X，!OQW MX4:03(，!SQU O7423（Z,978.5,3.0+Q992,:S?,5/.8，O7813;

14、3/.X.,0+N,-?3020(，O7813 BFCCCB，S?37）741/06：N?,3.,8275378/?,78/.8,3(.?（;&%5,.?2/2-03,）-0590/.,/6,8,3_,/.(7.,:)N?,8,/X2./?06.?7.?,;，.?,8,/X2./?06/.?7.?7/(00:?,7.8,/.73.)V,736?2,.?,3.,8+7-,/.8X-.X8,0+.?,-05490/.,/7.$CCD 67/3_,/.(7.,:1 5,73/0+=*V)N?,50/.?,7.8,/.73-,.,/.3(/?06/.?7.?,67.,8 71/089.03 1,3(0

15、32)AFE 73:;&%5,.?2/2-03,-0590/.,/；;=；50/.?,7.8,/.73-,$#万方数据玻璃纤维/甲基硅树脂复合材料高温及耐湿热性能的研究玻璃纤维/甲基硅树脂复合材料高温及耐湿热性能的研究作者：郭旭，黄玉东，曹海琳作者单位：哈尔滨工业大学,应用化学系,黑龙江,哈尔滨,150001刊名：航空材料学报英文刊名：JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS年，卷(期)：2004，24(4)引用次数：2次 参考文献(9条)参考文献(9条)1.余江 新一代航空部件用树脂基结构材料 1997(4)2.黎义.张大海.陈英.高文 航天透波多功能材料研究进展期

16、刊论文-宇航材料工艺 2000(5)3.BRYTE High performance radomeantenna materials 19954.FAVALORO M.STARETT S.BRYANOS J High temperature dielectric composites 19955.胡连成.黎义.于翘 俄罗斯航天透波材料现状考察 1994(1)6.CHANGE J C Aerospace materials and structural research into the next millennium 19977.付善菊.王飞.韩哲文.吴平平 短纤维/硅树脂复合材料的性能研究期

17、刊论文-功能高分子学报 2000(1)8.Allen C.ROBERT M.DAVID C Characterization of radiation-induced aging in silica-reinforcedpolysiloxane composites 20009.BUEHL F U.SEFERIS J C Effect of reinforcement and solvent content on moisture absorption in epoxycomposite materials 2000(7)引证文献(2条)引证文献(2条)1.张杰.宁荣昌.李红.齐大伟.凌辉 碳纤维增强环氧树脂基复合材料的性能研究期刊论文-中国胶粘剂 2009(3)2.惠雪梅.宋义斌.王晓洁.尤丽虹 碳纤维增强环氧改性氰酸酯树脂复合材料性能研究期刊论文-工程塑料应用2007(11)本文链接：http:/