FMPI树脂基复合材料研究

2002年 7月 玻 璃 钢 ／复 合 材 料 FM PI树脂基复合研究 张官理 崔广智 (北京航空材料研究院 100095) 摘要： 本文简述了碳纤维增强 FMPI树脂基复合材料的制造工艺。研究表明AS4／FMPI复合材料具有较好的力学性能 和加工性能，复合材料在 371℃、100h的失重率为 2．O％，耐热氧化稳定性较好。 关键词： 礞纤维 FMPI树脂 耐热氧化稳定性 适用于飞机发动机的碳纤维聚酰亚胺树脂基复 合材料以其重量轻、高的比强度和比模量而倍受关 注。其复合材料取代金属材料如钛合金能有效地减 轻发动机的重量，降低燃料消耗，增加航程。为此， 美国 NASA路易斯研究中心于 70年代开发出可在 316~C下使用的 PMR一15热固性聚酰亚胺树脂基 体，并成功地制造出大型复合材料制件，如发动机吊 舱、涵道部件、推力矢量板等。近年来，美国在 PMP — l5的基础上研制出几种新的可在 371℃下使用的 热固性聚酰亚胺树脂基体，PMR一11—50，AFR一 700B，V—CAP一75等。这几种树脂的共同点是以 2，2一双(3，4一苯二四甲酸酐)六氟丙烷(6FDA)为 单体，因而具有更高的热稳定性和良好的加工 性[1， 。 FMPI树脂为可在 371℃下使用的热固性聚酰 亚胺树脂。与 PMR一11—50，AFR一700B，V— CAP一75相比，FMPI的最大不同之处是在树脂体 系中加入具有三官能度有机胺单体 一三聚氰胺，使 得树脂体系在亚胺化和固化后形成如下结构： 禽 禽 禽 ／ l l l l l 其中 。 表示三聚氰胺基。 一 (PI) 一表示芳香二胺和芳香二酐缩合的酰 亚胺，n为聚合度。从结构可看出，三嗪杂环的引入 可有效提高树脂基体的耐热性 3。此前尚无把三聚 氰胺直接引入聚酰亚胺树脂体系的文献报道。这是 由于该化合物在许多溶剂中难溶解之故。因此，寻 求特定的聚酰亚胺树脂体系使三聚氰胺获得良好的 溶解性是该树脂体系研究的关键。 1 试 验 AS4／FMPI复合材料力学性能用 WD一5T及 ZDM10／R7电测 实验机测试；真空热压机 ，RT 500℃，50T；烘箱，RT 500℃，精度 ±3℃；30％的 FMPI乙醇／丙酮溶液和美国生产 AS4—3K纤维。 2 结果与讨论 2．1 预浸料制备工艺 用湿法预浸机制备预浸料，所用的碳纤维为 AS4—3K，树脂溶液浓度为 30％的 FMPI一乙醇／丙 酮溶液。树脂溶液及预浸料性能见表 1、2。 袁 1 FMPI树脂溶液性能 项 目名称 性 能 外观 粘度(23℃)／Pa．S 固体含量／％ 深棕色均相液体 80～9O 50±1 储存期(O℃)／,q ≥6 外观 挥发份／％ 树脂含量／wt％ 储存期／d 平整光滑无流挂无开缝 11±1 50 14 2．2 复合材料制备 AS4／FMPI复合材料用真空热压机制备。其工 艺为，以 4~C／min升温至 140~C，保温 0．5h；以 4~C／ 维普资讯 http://www.cqvip.com FMPI树脂基复合材料研究 2002年 7月 I1"11’~? ，√揭到 350oC。其中，到 180 时加压 0．6MPa， 同时应用30KPa真空；到230 时卸压排气(短时)， 之后加压 1．OMPa；到 290oC时卸压排气(短时)，应 用满真空 ，之后加压 2．4MPa；到 320oC保温、保压 2h，之后解除真空；到 350 保温、保压 2h后 自然降 温。后固化工艺为通 N2，360oC 370oC保温 20h。 2．3 复合材料耐热氧化稳定性(TOS) AS4／FMPI复合材料耐热氧化稳定性 (371 oC) 试验结果见表 3。 表 3 FMPI／AS4复合材料在371℃下的失重率 从试验结果可看出，在 371 oC、lOOh条件下失重 2．0％表明该复合材料具有较好的耐热氧化稳定性。 2．4 力学性能 AS4／FMPI复合材料力学性能见表 4。 表4 FMPI／，As4复合材料力学性能 2．5 力学性能比较 AS4／FMPI复合材料与同级别(371 oC)先进复 合材料典型力学性能(弯曲和层剪)[ ]比较见表5。 从表 5可看出，AS4／FMPI复合材料高温层间 剪切强度性能保持率(43％)仅次于 Quart#AFR一 700B(86％)，与 T650／V—CAP一75(40％)、T650／ PMR—II一50(41％)处于同一水平，远优于 C一6／ LARC—RP46(25％)。虽然其高温弯曲强度性能保 持率较低，但绝对值还是好于 Quartz／AFR一700B、 T650／V—CAP一75。因此可以说 ，AS4／FMPI复合 材料具有较好的力学性能。 表 5 复合材料力学性能比较 2．6 树脂体系价格比较 FMPI树脂与同级别 (371 oC)树脂价格 比较[4] 见表 6。从表 6比较可见其价格占有较大的优势。 表6 FMPI与同级别树脂价格比较($／kg) 3 结 论 与同级别(371 oC)树脂相比，FMPI树脂体系具 有下列优点： (1)具有较好的价格性能比； (2)力学性能与同级别复合材料相当； (3)具有较好的耐热氧化稳定性。 参考文献 1 40 International SAMPE symposium May8～ 1 1，1995：268 2 Ultrahigh—Temperature Resins．High—teckMaterials Alert，1991， 8(1O)：5～6 3 C．S Mm-vd．In proceeding of The 179th American chemical Society National Meeting，Houston，Texas，1980 4 陈样宝等．高性能树脂基体 ．化学工业出版社 ，1998 SI-IJDY 0lF F Ⅱ’I 【 】 C0 Ⅱ’0SrIE I^ATERIAIS Zhang Guanh Cui Guangzhi (Institute of Aeronautical M aterials) Abstract：This paper discusses the processing technology of carbon fiber reinforced F M PI matrix composite materials．The results of the study indicate that As4／FMPI composite materials have excellent flexural and inter— laminar shear prope rties at RT and 37 1 oC．2．0％ weight loss of composite materials at 37 1 oC demonstrates their good thermo—oxidative stabilitv(TOS)． Keywords：carbon fiber FMPI resin thermo—oxidative stabilitv(TOS) 硬丽百珂『乏 2 维普资讯 http://www.cqvip.com