航空发动机耐高温碳纤维/聚酰亚胺复合材料设计、结构调控与性能研究

The aliphatic conjugated polyene segments and high-temperature curing thermal stress in PMR polyimide matrix crosslinking structure of aircraft engines carbon fiber/polyimide resin composites are the internal scientific problems. Project based on the design theory of polymer s, efficient directional catalysis principle, design and synthesis of a phenyl acetylene sealing and isomerization of polyimide resin , controllable aromatic ring crosslinking structures by free radical initiator and catalysis for catalyst instead of high temperature heat curing generated aliphatic conjugated polyene, improve high temperature thermal oxidation resistance of the polyimide resin and its composites. Molding process temperature for carbon fiber composite is decreased from 370 ℃ to 300 ℃ to strengthen the structure of interfacial phase between the carbon fiber and the polyimide resin, reduce the thermal stress at composite interface phase. Probe into the relationship between structure design, structure regulation and performance of phenylacetylene sealing and isomerization polyimide/carbon fiber composite. Structure evolution and service performance stability of polyimide/carbon fiber composites under the aeroengines service condition have been studied by using new technologies such as broadband dielectric scanning and nanometer indentation in molecular level and nanometer scale.

在航空发动机用碳纤维/聚酰亚胺树脂复合材料的应用研究方面，现役PMR型聚酰亚胺树脂基体交联结构中的脂肪共轭多烯链段和高温固化热应力是导致复合材料高温热氧化与交变负载过程中力学性能下降的内在科学问题。项目基于高分子材料设计理论、高效定向催化作用原理，设计合成苯乙炔封端异构化聚酰亚胺树脂材料，通过自由基引发剂引发和配位催化剂定向催化作用，可控形成芳环交联结构代替高温热固化生成的脂肪多稀结构，提高了聚酰亚胺树脂基体及其复合材料抗高温热氧化性。碳纤维复合材料成型工艺温度从370℃降低至300℃，强化了碳纤维表面上浆剂与聚酰亚胺树脂之间的界面相结构，减少了复合材料界面相的热应力，探讨苯乙炔封端异构化聚酰亚胺/碳纤维复合材料结构设计、结构调控与性能之间的关系。采用宽频介电扫描、纳米压痕技术等新技术，从分子水平和纳米尺度研究聚酰亚胺/碳纤维复合材料在航空发动机服役条件下结构与性能演变及其服役性能稳定性。

航空发动机部件材料性能稳定性直接影响发动机运行的可靠性和安全性。聚酰亚胺复合材料作为航空航天器件冷端部件结构材料，为了提高其高温热氧稳定性，本项目开展了航空发动机耐高温碳纤维/聚酰亚胺复合材料设计、结构调控与性能研究。主要取得了以下三个方面的成果。1)设计合成了新型苯乙炔封端非对称异构聚酰亚胺树脂，树脂具有低的熔融粘度和高的耐热性；2）针对苯乙炔封端非对称异构聚酰亚胺树脂的固化反应，设计合成了有机和无机两种催化剂，树脂最高固化温度为300 ℃，比未催化树脂固化温度降低了70 ℃，无机催化剂催化固化树脂玻璃化转变温度高达462 ℃，其碳纤维复合材料的层间剪切强度达到112MPa; 3）固化温度的降低有效减少了聚酰亚胺树脂复合材料体系的热应力，提高了其高温热氧稳定性。聚酰亚胺树脂复合材料的在350℃下热氧老化150h后，层间剪切强度和弯曲强度分别保持在48.05%和69.94%，比未催化高温热固化复合材料的热氧稳定性有明显改善。项目研究为高性能聚酰亚胺复合材料制备、结构调控和应用打下了重要基础。在项目支持下，负责人培养博士研究生2人，硕士研究生2人；发表SCI学术论文3篇；获授权国家发明专利2项。