列车用玻璃纤维增强聚合物基复合材料的绝缘性能及阻燃性能研究

论文摘要

列车的高速化发展,对材料的安全性提出了越来越高的要求。玻璃纤维增强聚合物基复合材料具有优异的绝缘性能,能够用于列车绝缘部件的制备;且通过阻燃剂改性后能具有良好的阻燃性能,是列车用阻燃部件制备的理想材料。从原材料的选用、制备工艺及其参数的设定、服役工况的施加、环境老化的作用、阻燃剂的加入这五方面研究了复合材料绝缘性能,探索这五种因素对复合材料绝缘性能的影响规律。VIMP工艺制备的聚合物基（9001-I-1不饱和聚酯树脂,下同）复合材料相比手糊袋压工艺制备的复合材料介电强度高出19.23%。在湿热、盐雾及紫外老化初期,复合材料的介电强度下降速率较大,分别为0.39 KV/（mm·d）、0.56 KV/（mm·d）和0.43 KV/（mm·d）。在聚合物基体玻璃化转变温度处,复合材料介电强度下降速率最大,其值大于0.14 KV/（mm·℃）。拉应力会降低聚合物基体的绝缘性能,通过实验,提出并验证了聚合物基体的介电强度与拉应力呈′的负指数关系,当拉应力为聚合物基体拉伸强度的40%时,聚合物基体的介电强度下降了14.98%;但在复合材料中,界面性能是影响材料介电强度大小的关键因素,复合材料介电强度与拉应力不再遵循负指数关系,纵向及横向拉应力分别为纵向及拉伸强度的50%时,单向玻璃纤维增强复合材料介电强度分别下降了19.86%、12.59%。阻燃剂ATH（氢氧化铝）和DMMP（甲基膦酸二甲酯）都能提高聚合物基体及其复合材料的绝缘性能,DMMP只有在组分比小于10 phr时才能微量提高介电强度;且DMMP组分比为5 phr时介电强度提高最多,聚合物基体及复合材料的介电强度分别达到19.95 KV/mm和8.80 KV/mm;而ATH在组分比达到80 phr时还能起到增加介电强度的作用,且ATH组分比为60 phr时介电强度提高最多,聚合物基体及复合材料的介电强度分别达到28.85 KV/mm和9.25 KV/mm。此外,还研制出了一种既能满足复合材料VIMP制备工艺,又具有优良力学性能和阻燃性能的双组份阻燃配方,并研究了由该配方制备的复合材料介电强度在环境温度及湿热、盐雾、紫外老化作用下的变化规律。研究表明,以ATH和DMMP为阻燃添加剂,能够很好的满足VIMP工艺的要求,且其组分比分别为80、15 phr时,制备的复合材料力学性能最优,纵向拉伸强度和模量分别为584.35 MPa和304.39 GPa,纵向弯曲强度和模量分别为425.44 MPa和213.51 GPa,且具备优异的阻燃性能,氧指数为61.9%,超过国家一级阻燃标准45%的要求。

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• 目录
• 图目录
• 表目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 聚合物基复合材料在列车制备中的应用现状及发展趋势
• 1.1.1 聚合物基复合材料应用于列车制备的优势
• 1.1.2 聚合物基复合材料在列车制备中的应用实例和发展趋势
• 1.2 列车用复合材料低成本制备技术——VIMP工艺
• 1.2.1 VIMP工艺原理及其流程
• 1.2.2 VIMP工艺的特点及技术要求
• 1.3 列车用复合材料安全性要求
• 1.3.1 列车用复合材料绝缘性能要求
• 1.3.2 列车用复合材料阻燃性能要求
• 1.4 聚合物材料介电击穿和阻燃机理
• 1.4.1 聚合物材料介电击穿机理
• 1.4.2 聚合物材料阻燃机理
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 列车用复合材料绝缘性能和阻燃性能的研究路线及方法
• 2.2 实验主要原、辅材料
• 2.3 试样制备
• 2.3.1 树脂浇铸体试样的制备
• 2.3.2 复合材料试样的制备
• 2.4 测试方法及仪器
• 2.4.1 力学性能测试方法
• 2.4.2 氧指数测试方法
• 2.4.3 介电强度测试方法
• 2.4.4 环境老化实验
• 2.4.5 实验仪器
• 第三章 列车用玻璃纤维增强聚合物基复合材料绝缘性能研究
• 3.1 主要原材料对复合材料绝缘性能的影响
• 3.1.1 聚合物基体对复合材料绝缘性能的影响
• 3.1.2 增强玻璃纤维对复合材料绝缘性能的影响
• 3.1.2.1 玻璃纤维种类对复合材料绝缘性能的影响
• 3.1.2.2 纤维取向对复合材料绝缘性能的影响
• 3.1.2.3 玻璃纤维形式对复合材料绝缘性能的影响
• 3.1.2.4 纤维与电场的相对取向对复合材料绝缘性能的影响
• 3.1.3 玻璃纤维表面偶联剂处理对复合材料绝缘性能的影响
• 3.2 工艺方法及参数对复合材料绝缘性能的影响
• 3.2.1 工艺方法对复合材料绝缘性能的影响
• 3.2.2 VIMP工艺参数对复合材料绝缘性能的影响
• 3.3 环境作用对复合材料绝缘性能的影响
• 3.3.1 湿热老化对复合材料绝缘性能的影响
• 3.3.2 盐雾老化对复合材料绝缘性能的影响
• 3.3.3 紫外老化对复合材料绝缘性能的影响
• 3.3.4 环境温度对复合材料绝缘性能的影响
• 3.4 拉应力对复合材料绝缘性能的影响
• 3.4.1 拉应力对聚合物基体绝缘性能的影响
• 3.4.2 拉应力对复合材料绝缘性能的影响
• 3.5 阻燃剂对复合材料绝缘性能的影响
• 3.5.1 阻燃剂对9001-I-1 聚合物基体绝缘性能的影响
• 3.5.2 阻燃剂对复合材料绝缘性能的影响
• 3.6 绝缘破坏对材料承载能力的影响
• 3.6.1 绝缘破坏对聚合物基体承载能力的影响
• 3.6.2 绝缘破坏对复合材料承载能力的影响
• 3.7 小结
• 第四章 列车用玻璃纤维增强聚合物基复合材料阻燃性能研究
• 4.1 手糊型阻燃体系VIMP工艺验证
• 4.2 阻燃体系改进及性能研究
• 4.2.1 聚合物基体的阻燃性能和力学性能研究
• 4.2.2 复合材料的阻燃性能和力学性能研究
• 4.3 小结
• 第五章 列车用双组份阻燃型复合材料绝缘性能研究
• 5.1 双组份与单组份及零组份阻燃型复合材料绝缘性能比较
• 5.2 温度对双组份阻燃型复合材料绝缘性能的影响
• 5.3 环境老化对双组份阻燃型复合材料的绝缘性能的影响
• 5.3.1 湿热老化对阻燃型复合材料绝缘性能的影响
• 5.3.2 盐雾老化对阻燃型复合材料绝缘性能的影响
• 5.3.3 紫外老化对阻燃型复合材料绝缘性能的影响
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A
• 作者在学期间取得的学术成果