熱塑性基體聚苯硫醚(PPS)及其航空復合材料的強韌化與結晶結構調控.pdf

1、聚苯硫醚（polyphenylene sulfide, PPS）因具有高強度、高模量、很強的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性等優(yōu)點，近年來作為高性能特種工程樹脂被用于航空復合材料基體。但是，以PPS基為代表的熱塑性碳纖維（carbon fiber, CF）復合材料相對于熱固性復合材料的強度較低，需要進一步提高才能替代熱固性材料在航空領域大規(guī)模使用。纖維增強樹脂基復合材料的力學薄弱點在于界面和基體，本論文通過對PPS結晶結構的調控來實現(xiàn)PPS基體的強

2、韌化，最終建立高強度PPS/CF復合材料的成型方法。取得的主要研究結果如下。
　　采用壓力誘導流動（Pressure-induced flow, PIF）成型方法對PPS樹脂基體進行強韌化改性處理，討論了成型溫度和壓力等工藝參數(shù)對PPS綜合力學性能及結晶結構的調控作用。實驗結果表明，這種方法可以顯著提高PPS的強度和韌性。當成型溫度為210℃、成型壓力為615MPa、壓縮比達到3.0時，PIF成型PPS的綜合力學性能提高幅度最大，

3、拉伸強度由原來的85.17MPa提升至186.42MPa，沖擊強度由原來的37.42kJ/m2提升至81.29kJ/m2。通過掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）、示差掃描量熱分析儀（ Differential Scanning Calorimetry, DSC）、同步輻射小角X射線散射和衍射（Small Angle X-ray scattering and diffraction, SA

4、XS and WAXD）等檢測手段對其微觀形貌和結晶結構進行表征，發(fā)現(xiàn)在PIF成型過程的應力場和剪切場下，PPS中片晶發(fā)生破碎、取向和有序排列，這些破碎的晶粒折疊鏈沿流動方向（flow direction, FD）取向，重新排列形成有序層狀結構，但保持原有的結晶度和熔點。在PIF成型PPS中，晶區(qū)和非晶區(qū)的薄弱界面沿FD方向取向，導致材料斷面布滿沿FD方向擴展的銀紋和空穴，斷裂表面大幅增加，呈現(xiàn)韌性的斷裂微觀形貌。這是PPS材料韌性和強

5、度提高的主要原因。
　　為了將PIF成型法用于PPS基復合材料的強韌化，而避免固態(tài)流動中可能引起的CF-PPS界面破壞、CF折斷等問題，對PIF成型法進行改進，使塑性形變發(fā)生于材料的結晶過程中，稱之為降溫PIF成型法。研究結果表明，降溫PIF成型法也可以提高PPS材料的力學性能，當以42.14℃/min的降溫速率降至成型溫度150℃，成型壓力為320MPa、壓縮比達到1.69時，材料的綜合力學性能達到較高值，其中拉伸強度達120.

6、26MPa，沖擊強度為40.21kJ/m2，相比較未經(jīng)處理的材料分別提高了40％和10%。成型溫度為270℃時，材料的拉伸強度和沖擊強度相比較未經(jīng)處理的材料分別提高了15%和33%。適當提高降溫速率可使PPS形成較小晶粒，經(jīng)過降溫PIF成型后，PPS片晶的c軸沿著FD取向，在材料中形成了多級薄弱界面，這使得材料具有更高的強度。降溫PIF成型法使材料形成較小的晶粒，和PIF成型法制備的PPS相比，更不容易沿FD變形取向。因此，降溫PIF成

7、型法對材料綜合力學性能的提高幅度不及PIF成型法。盡管如此，這種方法成型材料的強度和韌性仍比未經(jīng)PIF強韌化處理的材料有顯著提高。
　　本論文進而探索了將PIF成型方法應用于短CF及紡織結構碳纖維（carbon fiber fabric, CFF）增強PPS復合材料的可能性。結果表明，PIF成型PPS/CF斷面中的CF與PPS樹脂基體的界面結合良好，并無明顯破壞，基體中富含銀紋和空穴，呈現(xiàn)韌性斷裂形貌。當成型溫度為240℃、成型壓