全聚酰亚胺复合材料的研究

石英纤维增强的聚酰亚胺（PI）复合材料以耐高温、优异力学性能和介电性能等优点而在航空航天透波材料中广泛应用。石英纤维的密度是2.2，而PI纤维是一种新型高性能有机纤维，其密度为1.3，介电性能优于石英纤维。将PI树脂和PI纤维复合在一起，研究全聚酰亚胺功能性复合材料可获得密度更低的材料，实现飞行器的有效减重，这是本项目的原始创新和应用前景所在之处。由于PI纤维的结晶性及表面光滑等问题，制备的复合材料存在界面差，材料性能低的问题。计划采用氧化、等离子体、碱处理等对PI纤维表面进行改性，通过表面接枝和偶极作用等涂覆含极性官能团的聚酰亚胺上浆剂，解决纤维和树脂间界面结合差的科学问题和技术难题，设计并合成适于纤维的PI树脂，探索PI树脂及其纤维的复合材料制备工艺，表征和评价全聚酰亚胺复合材料的各项性能指标，从而发展一类新型、低密度（1.3左右）和介电性能更加优异的全聚酰亚胺复合材料。

本项目针对基于聚酰亚胺纤维增强这一新型的树脂基复合材料开展了系列研究，取得了一定的基础性数据和成果，为以后这类全有机复合材料的应用基础和应用研究奠定了一定的基础：. 1）聚酰亚胺纤维的表面改性与活化。研究发现，纤维表面活性在一定程度内，随着等离子体功率与处理时间的增加而增加，主要体现在O元素和C-O键的含量逐步提高，纤维表面变得相对粗糙，总的表面张力有较大的提高，环氧基复合材料的层剪剪切强度最高提升了13%。但是随着进一步的增大，其性能反而有所下降，可能是由于纤维表面损伤过大导致的，主要体现在纤维的粗糙度波动，纤维强度在大功率等离子体处理后发生下降；. 2）基于相似结构的聚酰亚胺基体树脂设计与合成。根据纤维类似联苯结构，设计合成了一系列基于联苯酐的热固性树脂，这类树脂的5%热失重温度都在530℃以上，玻璃化温度超过400℃，其性能优于纤维聚酰亚胺纤维；. 3）全聚酰亚胺复合材料的制备与表征，探索了复合材料的制备工艺，进行了复合材料的基本性能评价。这类树脂基复合材料的密度都在1.4左右，而传统的碳纤维增强复合材料都在1.7左右，未来在航空航天领域的高温环境应用显示了很好的减重效应，复合材料的层剪剪切强度和芳纶纤维增强环氧树脂的性能相当，但是由于目前聚酰亚胺纤维的强度偏低，在2.5GPa左右，因此力学性能并不高，建议继续开展高强高模聚酰亚胺纤维的稳定化研究工作。. 这类全有机复合材料具有密度低，介电性能和耐热氧化性能优异的特点，在高温透波复合材料及其部件有潜在的应用价值，例如天线窗、天线罩等部位，能够实现有效减重，但是目前聚酰亚胺纤维的强度和模量仍偏低，批量制备仍存在困难，因此力学性能波动较大，是限制其应用的主要所在。