湿热老化对环氧树脂复合材料电学性能影响研究

论文摘要

本文研究了四种环氧树脂复合材料在湿热老化过程中的老化机理和吸湿特性曲线,采用傅里叶变换红外光谱和扫描电镜分别分析了复合材料在湿热老化过程中化学和微观结构变化,研究了湿热老化条件对环氧树脂复合材料介电性能、电阻率、静态力学性能、动态热机械性能等的影响及其变化规律,采用阿伦尼斯模型对复合材料湿热老化寿命进行了预测。MeTHPA/E-51、MeTHPA/WHUT-170、改性胺/E-51和乙烯基酯3201体系四种环氧树脂复合材料体系在湿热老化过程中的吸湿特性曲线研究结果表明,吸湿过程分为三个阶段,分别为满足Fick定律的第一阶段；由链段松弛速率控制吸湿速率的第二阶段；吸湿平衡的第三阶段。其中改性胺/E-51体系与其他三种体系不同,在第三阶段吸湿速率继续上升。四种体系中MeTHPA/E-51体系在沸水中老化时第一阶段的扩散系数最小,其值为8.95×10-6m2／s,改性胺/E-51体系扩散系数最大,为1.25×10-5 m2／s。随着温度的升高,链段松弛越快,达到饱和湿含量的时间也越短。另外,当湿度为75%时,复合材料的吸湿曲线背离Fick定律,吸湿曲线基本保持平衡。四种复合材料体系在湿热老化过程中特征峰没有发生明显变化,也没有新峰出现；湿热老化前复合材料表面光滑平整,纤维／树脂界面接触良好；湿热老化后,复合材料表面出现孔洞和裸露纤维,纤维／树脂界面开裂,纤维表面光滑。复合材料在湿热老化过程没有发生化学变化,性能变化主要是由脱粘、界面热应力破坏等物理变化所引起。在湿热老化过程中,复合材料的介电常数和介电损耗均增加,但由于湿和热同时作用,介电性能并不是一直增加,会出现一些起伏和缓慢增长的过程。随着湿热老化温度的增加,复合材料的介电常数和介电损耗都增加；随着湿度增加,材料的介电常数和介电损耗也相应增加。当电场频率处于105Hz左右时,介电性能出现突变峰,表现为介电常数增加,介电损耗降低,随着频率继续增加,介电常数下降,介电损耗增加。随着复合材料内部湿含量的增加,其电阻率大幅下降,温度和湿度对电阻率的影响也体现在材料吸湿性能上。同时,由于复合材料树脂基体的极性不同,乙烯基酯树脂由于自身亲水性更大,表面电阻率变化更快,而体积电阻率由于受到自由基固化时“笼效应”的影响,老化过程中间出现起伏变化。通过对四种复合材料在湿热老化过程中强度和模量保留率的对比。结果表明,在沸水中老化144h后,MeTHPA/E-51复合材料的强度、模量保留率最大,分别为72%和79%；通过分析复合材料的动态力学性能随老化时间的影响,发现随着老化时间的增加,tg6峰下降,峰值向低温方向移动,峰宽变宽,有的甚至出现双峰,同时复合材料的储能模量也下降,储能模量-温度曲线向低温方向移动。采用外推法阿伦尼斯模型对MeTHPA/E-51复合材料进行了寿命预测,为环氧树脂电气绝缘材料在湿热老化环境中的运用提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 聚合物材料的老化行为
• 1.1.1 聚合物材料老化及其特征
• 1.1.2 复合材料老化试验的主要方法
• 1.2 复合材料湿热老化行为的研究现状
• 1.2.1 复合材料湿热老化的主要机理
• 1.2.2 复合材料湿热老化的研究概况
• 1.2.3 湿含量对复合材料性能的影响
• 1.3 复合材料电学性能及其应用
• 1.3.1 复合材料介电性能的概述
• 1.3.2 复合材料介电性能的应用
• 1.3.3 复合材料电导性能概述
• 1.3.4 湿热老化对复合材料电学性能影响研究进展
• 1.4 复合材料加速湿热老化实验与寿命预测研究
• 1.4.1 加速湿热老化
• 1.4.2 寿命预测模型
• 1.4.3 寿命预测的研究现状
• 1.5 本文研究的背景及其主要内容
• 第2章 实验部分
• 2.1 实验用原材料
• 2.2 实验仪器及设备
• 2.3 试样的制备与老化试验
• 2.4 性能测试
• 2.4.1 吸水率实验
• 2.4.2 介电性能测试
• 2.4.3 介电频谱测试
• 2.4.4 电阻率测试
• 2.4.5 静态力学性能测试
• 2.4.6 动态力学性能测试
• 2.5 状态与形貌分析
• 2.5.1 红外光谱分析
• 2.5.2 SEM显微观察
• 第3章 湿热老化对复合材料结构和性能的影响
• 3.1 复合材料的吸湿特性
• 3.1.1 不同树脂体系在相同湿热老化条件下的吸湿特性
• 3.1.2 温度对复合材料吸湿特性的影响
• 3.1.3 湿度对复合材料吸湿特性的影响
• 3.2 环氧树脂复合材料湿热老化前后的红外图谱分析
• 3.3 环氧树脂复合材料湿热老化前后的SEM分析
• 3.3.1 湿热老化对复合材料表面形貌的影响
• 3.3.2 湿热老化对复合材料断面形貌的影响
• 第4章 湿热老化对环氧树脂复合材料电性能的影响
• 4.1 湿热老化对环氧树脂复合材料介电性能的影响
• 4.1.1 不同树脂体系在相同湿热老化条件下的介电性能
• 4.1.2 温度变化对复合材料介电性能的影响
• 4.1.3 湿度变化对复合材料介电性能的影响
• 4.1.4 频率变化对复合材料介电性能的影响
• 4.2 湿热老化对环氧树脂复合材料导电性能的影响
• 4.2.1 不同树脂体系在相同湿热老化条件下的电阻性能
• 4.2.2 温度对复合材料电阻性能的影响
• 4.2.3 湿度对复合材料电阻性能的影响
• 第5章 湿热老化对环氧树脂复合材料力学性能影响
• 5.1 湿热老化对环氧树脂复合材料静态力学性能的影响
• 5.2 湿热老化对环氧树脂复合材料动态力学性能的影响
• 5.2.1 湿热老化对复合材料损耗因子的影响
• 5.2.2 湿热老化对复合材料储能模量的影响
• 5.3 环氧树脂复合材料湿热老化模型建立
• 第6章 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 研究生期间发表的论文