刚玉增强聚合物复合材料冲蚀磨损性能的研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 9次 | 上传用户:syx
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浆体冲蚀的作用机理非常复杂,传统上对其研究多集中于金属或陶瓷基复合材料,由于高分子材料和金属及无机非金属材料在结构上大相径庭,所以原有的冲蚀磨损理论不能很好的解释或模拟聚合物的冲蚀磨损现象。迄今为止的研究重心多放在冲蚀环境因素变化对靶材冲蚀性能的影响方面,而对于聚合物基复合材料自身结构组成对抗冲蚀性能影响的研究相对较少。本文以棕刚玉颗粒作增强组分,选用不同的聚合物基体,在提高复合材料抗冲蚀性能的同时,使其分别向高抗冲击性和高耐热性两个方向发展。将聚酚氧和棕刚玉砂共混模压,制备了聚酚氧/刚玉复合材料,考察了刚玉含量、刚玉粒径、刚玉级配关系对复合材料的抗冲蚀性能、抗冲击性能和热变形温度的影响。结果表明:刚玉含量为83.3%,刚玉粒径为80#时,冲蚀磨损率为1.407×10-4cm/h,优于45#钢而接近于316L钢,抗冲击强度为6.89KJ/m2,但热变形温度不高。通过模型计算和模拟堆积实验预测粗细粒径比大于5,粗颗粒质量分数为70%左右时,可更有效的填充聚合物基体。实验结果显示粒径比80#∶360#,质量比为80∶20时,级配后的材料冲蚀磨损率最小,为0.911×10-4cm/h,理论预测对提高复合材料抗冲蚀性能有较好的指导作用。将甲苯二异氰酸酯和不同分子量的聚氨酯预聚体链段引入聚酚氧中形成交联结构,考察了预聚体分子量和添加量对聚酚氧拉伸性能的影响,在此基础上制备了聚酚氧/聚氨酯/刚玉复合材料,研究了刚玉含量、刚玉粒径、刚玉级配对抗冲蚀性能和冲击性能的影响。结果表明:改性聚酚氧的最大拉伸强度随着预聚体分子量和添加量的增大先增加后减小,而断裂伸长率则随之一直增加。通过弹性体冲蚀磨损理论的推导,证明强而韧的基体材料具有更好的抗冲蚀能力。以预聚体分子量2300,异氰酸酯指数0.16的改性聚酚氧为基体制备的抗冲蚀复合材料,级配后的最大冲蚀磨损率为0.441×10-4cm/h,抗冲蚀性能为45#钢的4倍,高填充比例下(85.3%),冲击强度仍达到23.72 KJ/m2。以环氧树脂为基体,研究了不同固化体系的刚玉增强环氧类复合材料的抗冲蚀性能、抗冲击性能和热性能,证明环氧/酚醛固化体系做基体时具有较好的综合性能。针对其韧性不足的特点,以聚酚氧作增韧组分制备了环氧/酚醛/刚玉复合材料。结果显示:当聚酚氧含量为15%时,能在环氧/酚醛固化体系中形成半互穿的网络结构,此时冲蚀磨损率比未加入聚酚氧时降低了36.9%,冲击强度提高了10.75%。填料级配后的冲蚀磨损率最低为1.742×10-4cm/h,抗冲击性能也提高到3.64KJ/m2。偶联剂KH-560比KH550的改性效果更好,当KH560含量为1%时,冲蚀磨损率下降了17.4%,冲击强度提高45.9%,热变形温度升高8℃。将聚酚氧和酚醛树脂混合作基体,研究了酚醛树脂的种类、聚酚氧/酚醛比例、刚玉级配、偶联剂种类和加入量等工艺条件对聚酚氧/酚醛/棕刚玉复合材料性能的影响。结果显示:和加入甲阶酚醛相比,采用热塑性酚醛,特别是高邻位热塑性酚醛制备的复合材料具有很高的热变形温度,但是抗冲蚀性能差距较大。聚酚氧∶酚醛=1∶1,刚玉粒径级配为80#∶360#,80#含量为80%时,综合性能最好,此时冲蚀磨损率为0.831×10-4cm/h,冲击强度为1.77 KJ/m2,热变形温度为138.1℃。添加KH-550后的增强效果不明显,KH-560因含有可反应的环氧官能团,改性效果明显,加入量为填料质量1%时,冲蚀磨损率降低了14.3%,冲击强度提高了53%,热变形温度提高了6.7℃。采用FB型硼酚醛树脂代替普通酚醛作固化剂,研究了不同比例硼酚醛/E-44固化产物的热性能,在此基础上制备了硼酚醛/E-44/刚玉复合材料,研究了基体组成、固化工艺、颗粒级配和偶联剂对复合材料性能的影响。结果表明:少量的硼酚醛就可以大幅提高环氧树脂的耐热性。当FB∶E-44=2∶8时,采用阶段固化工艺的产物热分解5%时的温度超过360℃,并且分解速率较慢,超过600℃以后残留率仍然超过50%。以此为基体的硼酚醛/E-44/刚玉复合材料有较好的抗冲蚀性,颗粒级配后的最低冲蚀磨损率和316L钢相当,此时冲击强度为2.92~2.61 KJ/m2,热变形温度在79.1~81.7℃。KH-550的改性效果要好于KH-560,加入量为填料量1%时,冲蚀磨损率降低了18.87%,冲击强度提高了26%,热变形温度提高了4.4℃。
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