“离位”增韧液态成型复合材料的微结构与性能关系

树脂转移模塑（RTM）技术中树脂低黏度和复合材料高韧性是一个焦点矛盾，"离位"复合增韧技术为这一矛盾提供了一个很好的技术解决方案，双马来酰亚胺（BMI）树脂作为目前航空复合材料中较为理想的RTM专用树脂之一，现用增韧层热塑性树脂（TP）在工艺特性方面与其存在相容性与匹配性问题，针对TP/BMI/CF（碳纤维）复合材料，进行新型增韧层树脂的研制，研究TP/BMI复合体系的溶解特性、流变特性、分相行为的时间-温度依赖性；针对TP/BMI/CF复合材料，结合高分辨Micro-CT、XAFS、TEM/SEM等在多层次、多尺度范围内研究复合材料裂纹的形成与扩展、相分离过程、相形态与分布、相界面与组成等层间微结构与力学性能特别是材料冲击后压缩性能的关系规律，通过研究含损伤的复合材料结构在压缩破坏过程中的失稳过程、破坏模式与破坏机理，揭示复合材料增韧的客观本质，促进航空高性能树脂基复合材料的发展。

传统的原位增韧技术会使改性后树脂体系的黏度大增，无法适用于先进树脂基复合材料的液态成型工艺方法。“离位”复合增韧技术为液态成型树脂基复合材料提供了一个树脂低粘度和复合材料高韧性之间矛盾的良好解决方案。本项目针对“离位”复合增韧技术中关键的热固性树脂基体和热塑性树脂增韧组分之间的溶解特性、流变特性、工艺特性，以及相分离过程、相分离形态等问题开展了研究，对新型航空用高性能树脂基复合材料的研发具有有益的指导意义。. 通过对航空用树脂基复合材料现用的酚酞改性聚芳醚酮（PAEK-C），以及新型的含联苯聚芳醚酮(PAEK-B)和含磷聚芳醚酮(PAEK-P)等几种热塑性树脂增韧组分与热固性树脂基体双马来酰亚胺树脂（BMI）之间的溶解特性、流变特性、工艺特性等进行了较为系统的研究，并在黏度实验的基础上，根据多参数阿累尼乌斯方程建立了树脂体系的化学流变模型，对复合材料的成型工艺过程具有良好的指导作用。原位观察表征了PAEK-C和两种新型热塑性树脂增韧组分（PAEK-B和PAEK-P）与BMI树脂基体间的相分离过程，分相行为的时间-温度依赖特性，以及增韧剂组分在复合材料中的最终分相形貌。通过复合材料的韧性表征发现，增韧后复合材料的损伤面积减小，冲击后压缩性能增大。通过Micro-CT对复合材料冲击后压缩破坏层板的原位无损微观结构观察发现，在热塑性树脂增韧层“离位”层间增韧复合材料中，裂纹扩展时沿纤维织物横向发展的裂纹增加，由此减小了纵向发展的裂纹能量，有效分散了裂纹前端能量，使复合材料的损伤痕迹变轻，损伤面积减小，韧性增加。. 同时项目还从“离位”复合增韧思想出发，建立了连续网格碳纳米管膜层间增韧液态成型树脂基复合材料。经过初步的研究发现，在碳纤维增韧树脂基复合材料的层间，碳纳米管与树脂基体共同承担载荷，这种由碳纳米管相互交叠、缠结而形成的网络结构能有效地阻碍层间微裂纹的扩展，从而起到很好的层间增韧的目的。这种“离位”层间增韧方式避免了热塑性树脂增韧组分与热固性树脂基体间需要有良好的溶解、流变特性的匹配性问题，对液态成型复合材料的增韧也具有显著的作用。