了得網工業技術_雙馬樹脂基復合材料空間損傷與界面改性

編輯推薦

該書著者針對空間環境下碳/雙馬樹脂基復合材料性能的穩定性和可靠性缺乏繫統性評估、先進樹脂基復合材料界面粘接性能較低等理論與關鍵技術問題，進行了近十年的潛心研究，繫統地開展了典型空間環境因素對碳/雙馬樹脂基復合材料性能演化規律及損傷機理；高性能纖維表面低溫等離子體改性處理對纖維表面結構與性能的影響；復合材料界面結構設計與調控等方面的研究工作。期望本書的出版發行對我國從事高分子材料的科技工作者了解與運用該研究領域的成果將有所裨益。

內容簡介

本書共11章，主要包括兩部分內容：碳纖維增強雙馬樹脂基復合材料在空間環境下的損傷與機理、高性能纖維低溫等離子體表面處理與復合材料界面調控技術。首先對碳纖維增強雙馬樹脂基復合材料在真空熱循環、質子與電子輻照環境下性能演化及其損傷機理進行了分析討論。然後重點闡述高性能連續纖維（包括：T700碳纖維、PBO纖維和碳纖維混雜PBO纖維）經射頻（ICP）和介質阻擋放電（DBD）低溫等離子體改性處理前後，纖維表面狀態、表面組成、表面形貌、浸潤性能的變化規律以及經等離子體處理前後纖維增強雙馬樹脂基復合材料界面結構與性能的影響關繫及變化規律、復合材料界面黏結和破壞機理。後對纖維表面時效性及其對纖維增強雙馬樹脂基復合材料界面性能的影響關繫也進行了論述。
本書可供從事先進復合材料、航空航天材料科學研究、技術開發的工作人員及高等院校相關專業的師生參考。

第1章緒論1
1.1樹脂基復合材料的發展簡史1
1.2雙馬樹脂的研究進展3
1.2.1雙馬來酰亞胺的合成原理3
1.2.2雙馬來酰亞胺的結構與性能6
1.2.3改性雙馬來酰亞胺樹脂及其應用6
1.3高性能纖維的結構與性能7
1.3.1碳纖維的結構與性能7
1.3.2聚對亞苯基苯並雙唑纖維的結構與性能10
1.4聚合物基復合材料的界面11
1.5纖維表面改性處理方法研究進展14
1.5.1纖維表面改性方法概況14
1.5.2纖維表面等離子體改性21
1.6空間環境對碳纖維/雙馬樹脂基復合材料性能影響的研究進展22 第1章緒論1
1.1樹脂基復合材料的發展簡史1
1.2雙馬樹脂的研究進展3
1.2.1雙馬來酰亞胺的合成原理3
1.2.2雙馬來酰亞胺的結構與性能6
1.2.3改性雙馬來酰亞胺樹脂及其應用6
1.3高性能纖維的結構與性能7
1.3.1碳纖維的結構與性能7
1.3.2聚對亞苯基苯並雙唑纖維的結構與性能10
1.4聚合物基復合材料的界面11
1.5纖維表面改性處理方法研究進展14
1.5.1纖維表面改性方法概況14
1.5.2纖維表面等離子體改性21
1.6空間環境對碳纖維/雙馬樹脂基復合材料性能影響的研究進展22
1.6.1空間環境因素概述22
1.6.2空間環境效應的研究進展27
參考文獻31

第2章實驗材料與結構性能表征方法41
2.1實驗原材料及實驗儀器41
2.1.1實驗原材料41
2.1.2實驗儀器42
2.2纖維表面等離子體處理43
2.2.1碳纖維表面處理45
2.2.2PBO纖維表面等離子體處理45
2.3復合材料的制備46
2.4空間環境模擬試驗47
2.4.1真空熱循環試驗47
2.4.2質子輻照試驗48
2.4.3電子輻照試驗48
2.5結構性能表征方法49
2.5.1X射線光電子能譜分析49
2.5.2纖維的表面形貌分析49
2.5.3動態接觸角分析50
2.5.4復合材料的性能測試52
2.5.5復合材料破壞形貌分析53
2.5.6傅裡葉紅外光譜分析53
2.5.7傅裡葉變換紅外衰減全反射光譜分析53
2.5.8熱失重分析53
2.5.9動態力學分析54
2.5.10熱膨脹分析54
2.5.11質損率測試54
2.5.12復合材料的熱應力分析54
參考文獻56

第3章真空熱循環對碳纖維/雙馬樹脂基復合材料性能的影響及熱應力模擬58
3.1真空熱循環對CF/BMI復合材料熱性能的影響59
3.1.1真空熱循環對CF/BMI復合材料動態力學性能的影響59
3.1.2真空熱循環對CF/BMI復合材料熱穩定性的影響61
3.1.3真空熱循環對CF/BMI復合材料線膨脹行為的影響64
3.2真空熱循環對CF/BMI復合材料質損率的影響66
3.3真空熱循環對CF/BMI復合材料表面形貌和表面粗糙度的影響67
3.4真空熱循環對CF/BMI復合材料力學性能的影響71
3.4.1真空熱循環對CF/BMI復合材料橫向拉伸強度的影響71
3.4.2真空熱循環對CF/BMI復合材料彎曲強度的影響73
3.4.3真空熱循環對CF/BMI復合材料層間剪切強度的影響75
3.5真空熱循環過程中CF/BMI復合材料的熱應力模擬76
3.5.1CF/BMI復合材料分析模型77
3.5.2CF/BMI復合材料熱應力的分布規律79
3.5.3CF/BMI復合材料的潛在破壞區域分析83
3.5.4CF/BMI復合材料熱應力的重新分布87
參考文獻91

第4章質子輻照對碳纖維/雙馬樹脂基復合材料性能的影響94
4.1質子輻照對CF/BMI復合材料表面性能的影響95
4.1.1質子輻照對CF/BMI復合材料表面官能團的影響95
4.1.2質子輻照對CF/BMI復合材料表面化學成分的影響98
4.1.3質子輻照對CF/BMI復合材料表面形貌和表面粗糙度的影響101
4.2質子輻照對CF/BMI復合材料熱性能的影響103
4.2.1質子輻照對CF/BMI復合材料動態力學性能的影響104
4.2.2質子輻照對CF/BMI復合材料熱穩定性的影響107
4.3質子輻照對CF/BMI復合材料力學性能的影響108
4.3.1質子輻照對CF/BMI復合材料彎曲強度的影響108
4.3.2質子輻照對CF/BMI復合材料層間剪切強度的影響109
4.4質子輻照對CF/BMI復合材料質損率的影響110
參考文獻111

第5章電子輻照對碳纖維/雙馬樹脂基復合材料性能的影響113
5.1電子輻照對CF/BMI復合材料表面性能的影響114
5.1.1電子輻照對CF/BMI復合材料表面化學成分的影響114
5.1.2電子輻照對CF/BMI復合材料表面官能團的影響117
5.1.3電子輻照對CF/BMI復合材料表面形貌和表面粗糙度的影響119
5.2電子輻照對CF/BMI復合材料熱性能的影響120
5.2.1電子輻照對CF/BMI復合材料動態力學性能的影響120
5.2.2電子輻照對CF/BMI復合材料熱穩定性的影響123
5.3電子輻照對CF/BMI復合材料力學性能的影響124
5.3.1電子輻照對CF/BMI復合材料彎曲強度的影響124
5.3.2電子輻照對CF/BMI復合材料層間剪切強度的影響125
5.4電子輻照對CF/BMI復合材料質損率的影響126
參考文獻127

第6章氧氣ICP等離子體表面處理對PBO/BMI復合材料界面性能的影響129
6.1氧氣等離子體處理功率對復合材料ILSS的影響129
6.1.1氧氣等離子體放電功率對纖維表面化學成分的影響130
6.1.2氧氣等離子體處理功率對纖維表面形貌及粗糙度的影響134
6.1.3氧氣等離子體處理功率對纖維表面浸潤性的影響136
6.2氧氣等離子體處理時間對復合材料ILSS的影響138
6.2.1氧氣等離子體處理時間對纖維表面化學成分的影響139
6.2.2氧氣等離子體處理時間對纖維表面形貌及粗糙度的影響142
6.2.3氧氣等離子體處理時間對纖維表面浸潤性的影響144
6.3氧氣等離子體處理氣壓對復合材料ILSS的影響145
6.3.1氧氣等離子體處理氣壓對纖維表面化學成分的影響146
6.3.2氧氣等離子體處理氣壓對纖維表面形貌及粗糙度的影響149
6.3.3氧氣等離子體處理氣壓對纖維表面浸潤性的影響150
6.4氧氣等離子體對PBO纖維表面化學改性機理探討151
參考文獻153

第7章氬氣ICP等離子體表面處理對PBO/BMI復合材料界面性能的影響155
7.1氬氣等離子體處理功率對PBO/BMI復合材料ILSS的影響155
7.1.1氬氣等離子體處理功率對PBO纖維表面化學成分的影響156
7.1.2氬氣等離子體處理功率對纖維表面形貌及粗糙度的影響160
7.1.3氬氣等離子體處理功率對纖維表面浸潤性的影響162
7.2氬氣等離子體處理時間對PBO/BMI復合材料ILSS的影響164
7.2.1氬氣等離子體處理時間對PBO纖維表面化學成分的影響165
7.2.2氬氣等離子體處理時間對纖維表面形貌及粗糙度的影響168
7.2.3氬氣等離子體處理時間對纖維表面浸潤性的影響170
7.3氬氣等離子體處理氣壓對PBO/BMI復合材料ILSS的影響170
7.3.1氬氣等離子體處理氣壓對纖維表面化學成分的影響171
7.3.2氬氣等離子體處理氣壓對纖維表面形貌及粗糙度的影響174
7.3.3氬氣等離子體處理氣壓對纖維表面浸潤性的影響176
7.4氬氣等離子體對PBO纖維表面化學改性機理探討176
參考文獻178

第8章氧/氬混合氣體ICP等離子體處理對PBO/BMI復合材料界面性能的影響179
8.1氧/氬混合氣體等離子體的氣體組分對復合材料ILSS的影響180
8.1.1氧/氬混合等離子體的氣體組成對纖維表面化學成分的影響181
8.1.2氧/氬混合等離子體的氣體組成對纖維表面形貌及粗糙度的影響186
8.2氧/氬混合氣體等離子體處理功率對復合材料ILSS的影響188
8.2.1氧/氬混合氣體等離子體處理功率對纖維表面化學成分的影響189
8.2.2氧/氬混合氣體等離子體處理功率對纖維表面形貌及粗糙度的影響192
8.3氧/氬混合氣體等離子體處理時間對復合材料ILSS的影響193
8.3.1氬/氧混合氣體等離子體處理時間對纖維表面化學成分的影響194
8.3.2氧/氬混合氣體等離子體處理時間對纖維表面形貌及粗糙度的影響197
8.4氧/氬混合氣體等離子體對PBO纖維表面化學改性機理探討198
8.5PBO/BMI復合材料層間斷裂機理、耐濕熱性質及等離子體改性退化現像200
8.5.1等離子體處理對復合材料層間斷裂形貌的影響及界面增強機理探討200
8.5.2等離子體處理對PBO/BMI復合材料耐濕熱性能的影響205
8.5.3等離子體處理後PBO纖維表面退化現像207
參考文獻209

第9章空氣DBD等離子體處理對PBO/BMI復合材料界面性能的影響211
9.1空氣DBD等離子體處理時間對PBO/BMI復合材料界面性能的影響211
9.1.1空氣DBD等離子體處理時間對PBO/BMI復合材料ILSS的影響212
9.1.2空氣DBD等離子體處理時間對PBO纖維表面化學成分的影響213
9.1.3空氣DBD等離子體處理時間對PBO纖維表面形貌及粗糙度的影響217
9.1.4空氣DBD等離子體處理時間對PBO纖維表面浸潤性的影響220
9.1.5空氣DBD等離子體處理時間對PBO纖維單絲拉伸強度的影響221
9.2空氣DBD等離子體功率密度對PBO/BMI復合材料界面性能的影響222
9.2.1空氣DBD等離子體功率密度對PBO/BMI復合材料ILSS的影響223
9.2.2空氣DBD等離子體功率密度對PBO纖維表面化學成分的影響224
9.2.3空氣DBD等離子體功率密度對PBO纖維表面形貌及粗糙度的影響227
9.2.4空氣DBD等離子體功率密度對PBO纖維表面浸潤性的影響230
9.2.5空氣DBD等離子體功率密度對PBO纖維單絲拉伸強度的影響231
參考文獻231

第10章氧氣DBD等離子體處理對PBO/BMI復合材料界面性能的影響233
10.1氧氣DBD等離子體處理時間對PBO/BMI復合材料界面性能的影響233
10.1.1氧氣DBD等離子體處理時間對PBO/BMI復合材料ILSS的影響234
10.1.2氧氣DBD等離子體處理時間對PBO纖維表面化學成分的影響235
10.1.3氧氣DBD等離子體處理時間對PBO纖維表面形貌及粗糙度的影響238
10.1.4氧氣DBD等離子體處理時間對PBO纖維單絲拉伸強度的影響241
10.2氧氣DBD等離子體功率密度對PBO/BMI復合材料界面性能的影響241
10.2.1氧氣DBD等離子體功率密度對PBO/BMI復合材料ILSS的影響242
10.2.2氧氣DBD等離子體功率密度對PBO纖維表面化學成分的影響243
10.2.3氧氣DBD等離子體功率密度對PBO纖維表面形貌及粗糙度的影響246
10.2.4氧氣DBD等離子體功率密度對PBO纖維單絲拉伸強度的影響249
參考文獻249

第11章碳/PBO混雜纖維增強BMI樹脂基復合材料的界面性能251
11.1空氣射頻等離子體對CF/BMI復合材料界面性能的影響252
11.1.1空氣射頻等離子體處理時間對CF/BMI復合材料ILSS的影響253
11.1.2空氣射頻等離子體處理時間對CF表面化學成分的影響254
11.1.3空氣射頻等離子體處理時間對CF表面形貌及粗糙度的影響257
11.1.4空氣射頻等離子體對CF/BMI復合材料斷面形貌的影響258
11.2碳/PBO混雜纖維復合材料的制備及其界面黏結性能的研究259
11.2.1碳/PBO混雜纖維增強BMI樹脂基復合材料的制備259
11.2.2等離子體對碳/PBO混雜纖維增強BMI樹脂基復合材料ILSS的影響259
11.3等離子體處理PBO纖維的時效性及PBO/BMI復合材料的斷裂模式、吸水率測試261
11.3.1空氣、氧氣DBD等離子體處理後PBO纖維表面時效性研究261
11.3.2PBO/BMI復合材料的斷面形貌及斷裂模式分析269
11.3.3PBO/BMI復合材料吸水率的研究271
參考文獻273

前言

先進樹脂基復合材料（ACM）具有比強度高、比模量大、耐高溫、耐腐蝕等一繫列優點，作為重要的國防戰略物資，廣泛地應用於航空航天、武器裝備等眾多國防工業領域中。ACM技術的發展對導彈、航空航天技術的進步起到了至關重要的作用。從某種意義說：ACM的用量已經成為評價航空、航天結構件以及武器裝備先進性和市場競爭力的一個重要標志；其科技發展水平是關繫未來新一代作戰飛機、高速飛行器、導彈發動機殼體等國家重大工程裝備需求和縮小與發達國家差距的決定因素。ACM是當今航空航天和國防工業新材料的研究重點和發展方向。先進樹脂基復合材料（ACM）具有比強度高、比模量大、耐高溫、耐腐蝕等一繫列優點，作為重要的國防戰略物資，廣泛地應用於航空航天、武器裝備等眾多國防工業領域中。ACM技術的發展對導彈、航空航天技術的進步起到了至關重要的作用。從某種意義說：ACM的用量已經成為評價航空、航天結構件以及武器裝備先進性和市場競爭力的一個重要標志；其科技發展水平是關繫未來新一代作戰飛機、高速飛行器、導彈發動機殼體等國家重大工程裝備需求和縮小與發達國家差距的決定因素。ACM是當今航空航天和國防工業新材料的研究重點和發展方向。
雙馬來酰亞胺樹脂（BMI）是繼環氧樹脂（EP）之後又一種高性能熱固性樹脂，它既具有聚酰亞胺樹脂耐高溫、耐輻射、耐濕熱、模量高、吸濕率低和熱膨脹繫數小等優點，又兼具EP的易加工性，在多方面滿足了先進聚合物基復合材料的要求。目前，BMI樹脂已成為高性能樹脂綜合性能的基體樹脂，已經逐步取代EP成為航空航天結構復合材料的主導基體材料。為了改善傳統BMI存在熔點高、溶解性不佳、固化物交聯密度高、質脆，其復合材料抗衝擊性能和抗應力開裂能力差等缺點，國外從20世紀70年代開始，采用兩種或多種BMI單體共聚、BMI單體與其他反應性單體或電子富集物共聚等方法，通過共聚破壞BMI分子晶體結構的規整性，使其無序化，進而降低BMI分子間的作用力和結晶能力，達到降低熔點、增加溶解性的目的。成功開發出的多個牌號的改性BMI樹脂，如F-178，V378-A，V391，R6451，XU292，RD85-101，X5245C，X5250等，已在F-22、F-35等多種型號的飛機的機翼肋、桁條、“T”和“I”型橫梁等承力結構上得到廣泛應用。
我國在該領域的研究工作起步較晚，但是發展速度很快，20世紀80年代以後，中航工業北京航空制造工程研究所、北京航空材料研究院、西北工業大學等先後研制開發成功像QY8911、4502、5405等諸多牌號的共聚改性BMI樹脂，並在多種殲擊機型號的二十多種不同形式結構件上成功應用。但是，這些產品在一定程度上依然存在復合材料界面粘接與損傷容限性能較低等一繫列亟待解決的共性關鍵技術難題。高性能熱固性樹脂基復合材料在我國航空航天、武器裝備等高技術領域的應用依然任重道遠。
基於此，著者在精細化工國家重點實驗室、三束材料改性*重點實驗室和遼寧省先進聚合物基復合材料重點實驗室科研平臺的大力支持下，在承擔完成國防“十二五”基礎科研重點項目（項目編號：A3520110001）、國家自然科學基金重點項目（項目編號：10835004）、三束材料改性國家重點實驗室基金項目（項目編號：DP1051204）、遼寧省先進聚合物基復合材料重點實驗室創新基金基目（項目編號：2008001）的過程中，針對空間環境下碳/雙馬樹脂基復合材料性能的穩定性和可靠性缺乏繫統性評估、先進樹脂基復合材料界面黏結性能較低等理論與關鍵技術問題，進行了近十年的潛心研究，繫統地開展了典型空間環境因素對碳/雙馬樹脂基復合材料性能演化規律及損傷機理、高性能纖維表面低溫等離子體改性處理對纖維表面結構與性能的影響、復合材料界面結構設計與調控等方面的研究工作。現將有關的內容進行繫統歸納與整理，並撰寫成本書。全書由大連理工大學陳平教授統稿，於祺博士、劉東博士、劉哲博士參加了相關章節的編寫與整理工作。感謝陸春博士、王靜博士、熊需海博士、曾強博士、劉思揚博士及陳明新碩士、張曉亮碩士、王開翔碩士、唐碩士和歷屆本科生，他們給我們團隊留下了大量珍貴的實驗數據。今天付梓完成與讀者見面，喜聞我們團隊主持完成的“耐高溫特種結構雙馬樹脂及其先進制備技術”獲得了中國材料研究學會科學技術獎一等獎，倍感欣慰。衷心地期望本書對我國從事高分子材料的科技工作者了解與運用該研究領域的新成果有所裨益。
後，感謝大連理工大學三束材料改性*重點實驗室的丁振峰教授、任春生教授在等離子體科學與技術方面給予的大力支持與無私幫助。特別感謝大連市人民政府學術專著出版基金與化學工業出版社出版基金資助。感謝化學工業出版社的大力支持。

著者
2015年8月

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