石英纤维/有机硅树脂复合材料的制备及性能研究

论文摘要

航天透波材料因其特殊的使用场合而要求具有优良的综合性能。传统的树脂如酚醛树脂、环氧树脂等耐高温性能不足,在透波材料领域中使用受限,有机硅树脂因其具有优良的耐热性和介电性能而备受关注。有机硅树脂作为透波复合材料的基体在俄罗斯已经被成功应用于战术导弹、航天飞机中。已有研究表明,在有机硅树脂中引入B元素,使之形成Si-O-B键桥可以进一步提高其耐热性能。本文使B（OH）3与聚甲基乙氧基硅氧烷（PMES）反应制备了SiBOCH体系的有机硅树脂,通过红外分析法证实了B以Si-O-B形式成功地连接到了硅氧烷结构中,通过TG分析了其耐热性能。以这种自制的有机硅树脂为基体,采用介电性能优异的石英纤维（布）做增强体,以寻求制备复合材料的最佳工艺方法为主线,借助于三点弯曲测试、SEM分析、FT-IR分析、TG分析等手段,研究了不同工艺下几种主要因素对复合材料组织和性能的影响。纤维布增强有机硅树脂复合材料的研究中显示,石英纤维表面浸润剂的去除对提高复合材料的弯曲性能有很大意义。偶联剂在纤维与基体界面处形成化学键合而表现出比热处理、酸刻蚀物理方法更有效果,其中偶联剂KH550比KH560更为合适。随着温度的升高,复合材料中因为水分、乙醇的挥发,Si-C键裂解产生CO2、H2O,Si-O键断裂生成小分子环体而使材料有较大失重,弯曲性能逐渐下降,350℃之后幅度更大。复合材料中含胶量为40%时,纤维周围树脂基体包覆较好,室温弯曲性能比含胶量为20%、60%的分别高出136%和221%。超声波振动能促进硅树脂中的Si-O-Si键的裂解,导致复合材料弯曲性能下降。制备工艺中浸泡反应法比真空辅助浸渍法和预浸料法优异,但纤维布的线密度比较大,影响了树脂胶液的浸渍效果,材料性能提升有限。将单向石英纤维采用缠绕法制备复合材料,室温弯曲强度能达到纤维布所得复合材料的最高值的2.08倍。在固化时采用热压方式,能有效提高固化交联程度,降低材料的气孔率、减小材料变形,复合材料的弯曲强度明显优于无压固化方式,室温下均值为248.0MPa,最高能达到259.9MPa,比无压固化的高出52.6%,350℃时均值为142.4Mpa,尚可比后者高出58.4%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 透波材料的研究现状
• 1.2.1 无机透波材料
• 1.2.2 有机复合材料
• 1.3 树脂基复合材料制备工艺的研究
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 石英纤维/有机硅树脂复合材料制备与研究方法
• 2.1 实验原材料和设备
• 2.1.1 实验原材料
• 2.1.2 实验设备
• 2.2 有机硅树脂基体的合成
• 2.3 复合材料的制备及固化工艺
• 2.3.1 真空辅助浸渍法
• 2.3.2 浸泡反应法
• 2.3.3 预浸料法
• 2.3.4 纤维缠绕法
• 2.3.5 复合材料的模压、固化工艺
• 2.4 复合材料性能分析表征方法
• 2.4.1 三点弯曲强度
• 2.4.2 扫描电子显微镜（SEM）分析
• 2.4.3 X 射线衍射（XRD）分析
• 2.4.4 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析
• 2.4.5 热分析（TG、DTA）
• 第3章 SiBOCH 有机硅树脂的合成与表征
• 3.1 SiBOCH 有机硅树脂的合成机理
• 3.2 SiBOCH 有机硅树脂表征
• 3.3 本章小结
• 第4章 纤维布增强树脂基复合材料的制备与性能研究
• 4.1 真空辅助浸渍法
• 4.1.1 石英纤维的表面处理
• 4.1.2 不同纤维预处理方法对复合材料弯曲强度影响
• 4.2 浸泡反应法
• 4.2.1 不同纤维预处理方法对复合材料性能影响
• 4.2.2 不同热处理温度对复合材料性能影响
• 4.3 预浸料法
• 4.3.1 预浸料布制备的工艺参数
• 4.3.2 不同含胶量和热处理温度的影响
• 4.3.3 超声波对复合材料性能影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 单向纤维增强树脂基复合材料的制备与性能
• 5.1 预处理方法、温度对复合材料性能影响
• 5.2 不同固化工艺对复合材料性能影响
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢