PCH_UHMWPE复合材料的性能研究及应用

PCH/UHMWPE复合材料的性能研究及应用3朱丹王耀先张兴鲁程树军(华东理工大学材料科学与工程学院,上海200237)摘要采用一种结构与超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维相似、且对纤维表面具有良好浸润性的碳氢树脂(PCH)作基体,通过层压成型工艺制得PCH/UHMWPE复合材料,对复合材料的力学性能、介电性能及吸湿性能进行研究。结果表明,PCH/UHMWPE复合材料力学性能好、介电性能优异、吸湿率低,湿热前后材料性能变化甚小,性能保留率高,可用作高性能透微波复合材料。利用PCH/UHMWPE复合材料制得的覆铜板、压力容器等产品在实际应用中性能较为优异,可达到规定使用要求。关键词超高分子量聚乙烯纤维碳氢树脂力学性能介电性能湿热性能透微波材料是保护飞行器及雷达站等在恶劣环境条件下能正常工作的一种多功能复合材料,广泛应用于运载火箭、飞船、返回式卫星、飞机、舰船及各种陆地无线电通信系统。为了满足高频通信远距离、高速度、高保真的传输要求,透微波材料须具有优异的介电性能、较高的力学性能、低吸水率及良好的成型工艺性等[l]。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是目前最新的超轻、高比强度、高比模量纤维,其介电常数低,介电损耗小,电信号失真小,透微波性能好,且具有高抗冲击性、低吸湿率、耐磨、耐腐蚀、耐紫外线辐射、电绝缘性好等优异性能,适宜用作高性能透微波复合材料的增强材料[2-4]。目前UHMWPE纤维的应用研究主要集中在增强环氧树脂(EP),增强乙烯基酯树脂(VER)和聚乙烯的研究也有报道[5-6]。笔者采用碳氢树脂(PCH)作为基体制备了一种新型的UHMWPE纤维增强介电复合材料。由于所用纤维及基体树脂都是非极性材料,两者结构相似,具有良好的相容性,所制得的复合材料界面粘结强度高、介电性能优异、综合力学性能好、吸湿率极小,是一类理想的高性能透波复合材料。PCH室温下为液态,具有与EP相似的工艺性,对纤维浸润性好,固化过程中无低分子副产物析出,可在常压或低压下成型,适合于多种成型工艺,可用于制作任意形状和尺寸的产品,比热塑性聚乙烯具有更好的成型工艺性和耐热性。这种新型介电复合材料尚未见研究报道。1实验部分1.1原材料UHMWPE纤维:荷兰DSM公司;PCH:自制;EP:上海树脂厂;VER:华东理工大学华昌聚合物有限公司。1.2仪器、设备宽频介电阻抗谱仪:Concept40型,德国Novo2control公司;万能试验机:CMT4210型,深圳市新三思材料检测有限公司。1.3试样制备向不同树脂中加入一定比例的交联剂及引发剂,搅拌均匀后得到不同的树脂胶液。采用缠绕法制备UHMWPE单向预浸料,将预浸料置入烘箱中加热一段时间后即可得到半固化片。将制作好的半固化片经剪裁、铺叠,置于不锈钢模板之间,再放入平板硫化机中按照一定的工艺条件热压成型,即得到PCH/UHMWPE、EP/UHMWPE、VER/UHMWPE复合材料层压板,然后按相关标准切割制备标准试样。1.4性能测试(1)力学性能拉伸性能按GB3354-1982测试,采用2～3mm厚正交铺层的玻璃纤维增强复合材料板制作加强片,加载速度为5mm/min。弯曲强度按GB3356-1982测试,采用短支梁三点加载,试样厚度为2mm,宽度为12.5mm,跨厚比为32∶1,加载速度为2mm/min。层间剪切强度按GB3357-1982测试,试样厚度为2～5mm,宽度为6mm,跨厚比为5∶1,加载速度为2mm/min。3国家自然科学基金项目(50773019)收稿日期:200821221984工程塑料应用2009年,第37卷,第3期(2)介电性能将复合材料制备成直径为20mm、厚度为2mm的圆形试样,用宽频介电阻抗谱仪测试其介电常数(ε)和介电损耗角正切(tanδ)。(3)湿热性能湿热性能按GB2574-1981测试。将试样在烘箱中干燥至恒重后浸入去离子水中,水温为(60±2)℃,相对湿度为(95±3)%,浸水时间为168h,每间隔24h取出试样,用滤纸迅速擦去表面残留水分并称重,按(1)式计算吸湿率Mt:Mt=Wt-W0W0×100%(1)式中:W0———吸湿前试样原始质量,g;Wt———t时刻试样质量,g。2结果与讨论2.1PCH/UHMWPE复合材料的力学性能PCH/UHMWPE复合材料的力学性能见表1。由表1可知,UHMWPE纤维单向增强PCH复合材料的弯曲强度、层间剪切强度及纵向拉伸强度都远高于VER/UHMWPE复合材料及EP/UHMWPE复合材料,这说明非极性的UHMWPE纤维和PCH树脂之间的界面粘结性能好,因而复合材料力学性能较好。表1UHMWPE纤维单向增强复合材料的力学性能比较材料纵向拉伸强度/MPa纵向拉伸弹性模量/MPa断裂伸长率/%弯曲强度/MPa层间剪切强度/MPaPCH/U