热塑性航空复合材料基体的强韧化与多级有序微观结构

Thermoplastic composites are now gradually taking place of the thermoset because of low cost and high mechanical performance. As a result, toughening and strengthening of thermoplastic polymer matrices have become a fundamental scientific problem in researches of aviation composite materials at present. With our preliminary studies, we found that the hierarchical microstructures of polyphenylene sulfide (PPS) can be tuned by applying press or shearing stress onto its supercooled melt. In some certain cases, this may lead to markedly improvement of impact toughness (by 14 folds) and strength (by 2.5 folds). Based on this, in this project we will try to find the principles in controlling the hierarchical ordered microstructures and the relationship between the structures and mechanical properties. Particularly, by studying molecular mechanisms of structural evolution and toughening, we will be able to tailor the microstructures and mechanical properties by manipulated processing. Further, we plan to introduce this method of constructing specific structures into continuous carbon fibers reinforced PPS composites, so as to provide a theoretical support for effectively toughening the PPS thermoplastic aviation composite materials.

目前，热塑性复合材料取代热固性材料成为航空复合材料低成本化和高性能化的重要趋势，热塑性基体的强韧化已成为现阶段航空复合材料发展的重要基础科学问题之一。我们的前期研究显示，对过冷熔体施加应力场和剪切场可以改变聚苯硫醚（PPS）的多级微观形态结构，从而大幅提高冲击韧性（初步结果提高14倍），同时强度提高2.5倍。本项目拟以压力流动成型为主要手段，深入研究在PPS中构筑多级有序微观结构的方法以及多级结构与PPS强韧化的关系。通过对多级结构演变和强韧化分子机理的研究，掌握成型加工-微观结构-力学性能三者间的相互关联和调控规律；进而探索在连续碳纤维增强PPS热塑性复合材料中构筑强韧化多级结构的途径，为提高PPS热塑性民用航空复合材料的冲击韧性提供新方法和理论支撑。

随着热塑性复合材料取代热固性材料成为航空复合材料低成本化和高性能化的重要趋势，热塑性基体的强韧化已成为现阶段航空复合材料发展的重要基础科学问题之一。.本项目通过压力诱导流动（PIF）成型方法，在限制边界条件下对航空热塑性复合材料基体聚苯硫醚（PPS）施加应力场和剪切场，使其发生一维的固态或过冷熔体的形变，改变其晶区结构与形貌，构筑多级有序微观结构。深入研究了这种多级有序层状微观结构的演变规律、形成机理及增强增韧的原理，对原有的塑性形变分子机制进行了补充和发展。.结果表明，PPS中大部分片晶首先发生偏转、然后破脆成为纳米级细小晶粒，并由系带分子连接成为层状取向的富晶区；这些细小晶粒仍保持原有的折叠链，但重新排列形成有序层状结构，折叠链方向与流动方向（FD）平行。这些变形球晶及形成的新片晶束的界面沿FD优先取向，在PPS内部构成具有多级薄弱界面的层状结构，使材料在断裂过程中自动引发沿FD的裂纹扩展而增加能量耗散；同时增加了无定形区分子链段的受限程度，提高片晶束的有效应力。两者协同作用，达到宏观力学的增韧与增强。.通过系统研究温度、压力、压缩比、降温速率等工艺条件对PPS中形成多级有序层状微观结构，以及对韧性、强度等力学性能的影响规律，建立了高性能PPS热塑性树脂及其复合材料的强韧化新方法。在210 ℃、615 MPa、压缩比为3左右时，PPS的拉伸强度可达到186.9 MPa，冲击强度达到50.1 kJ/m2，分别较普通球晶的PPS材料提高2倍和4倍。并探索将该方法用于碳纤维（CF）增强PPS复合材料，在短CF复合材料中分别提升1倍左右，在连续CF复合材料中提升约10%，最终制备高强高韧的航空热塑性CF/PPS复合材料。.这种结构与性能调控方法为航空热塑性复合材料的高性能化提供了一种新途径及理论支撑，对制备高韧高强的热塑性复合材料具有重要科学意义和应用价值。