ZrW2O8/BADCy复合材料的制备及性能研究

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氰酸酯树脂(CE)是一种高性能热固性树脂,具有优异的介电性能、力学性能、热稳定性和加工性能等,在电子封装材料、印刷电路板、高性能雷达罩以及航空航天材料等领域具有广阔的应用前景。由于高性能树脂基复合材料具有高比强度和比刚度、优良的力学性能和热稳定性等特点,是航空航天材料的发展重点。其中,纤维增强体是航空航天材料用树脂基复合材料的重要组成部分。然而由于纤维增强体与树脂基体间的热膨胀系数相差较大,材料间存在热应力,当材料长期处于温度波动较大的工作环境中时,容易发生裂纹或者变形等不良现象。因此,为满足各领域对材料尺寸稳定性的高要求,有必要适当降低氰酸酯树脂的热膨胀系数。钨酸锆(ZrW2O8)是一种具有负热膨胀特性的陶瓷材料,在很宽的温度范围内(0.31050 K)具有各向同性的高负热膨胀系数(-8.7×10-6°C-1),常被用作复合材料中的尺寸稳定剂。本文采用化学共沉淀法并结合正交试验设计方法制备出纯度高的ZrW2O8,然后对ZrW2O8进行表面改性,以双酚A型氰酸酯树脂(BADCy)为基体,制备了ZrW2O8/BADCy复合材料,并对复合材料的固化性能和热膨胀性能进行了研究。结果表明:(1)ZrW2O8为单一立方结构,纯度高,形状不规则,平均颗粒大小约为5μm。当ZrW2O8在环氧树脂中的填充量为40 wt%时,ZrW2O8/环氧树脂复合材料的热膨胀系数(49.72×10-6°C-1)比环氧树脂基体的热膨胀系数(80.12×10-6°C-1)降低了37.94%。(2)ZrW2O8中丰富的活性羟基和吸附水对BADCy树脂的固化具有催化降解作用。将BADCy树脂分别与相同含水量的ZrW2O8和石英粉体复配,ZrW2O8表现出比石英粉体更强的催化降解作用。(3)在相同湿度和处理条件下,SiO2、Al2O3的无机包覆层和有机硅聚合物(羟基硅油(HSO),乙烯基硅油(VSO))的包覆层均可以有效降低ZrW2O8对BADCy的降解作用。另外,与纯BADCy的固化情况相比,SiO2/ZrW2O8/BADCy、Al2O3/ZrW2O8/BADCy的峰始温度分别降低了12°C、28°C,峰顶温度分别降低了13°C、1°C。有机硅聚合物改性可以明显提高ZrW2O8和BADCy的相容性和分散性。在30180°C的温度范围内,粉体填充量均为15 wt%时,与纯BADCy的热膨胀系数(62.48×10-6°C-1)相比,ZrW2O8/BADCy、SiO2/ZrW2O8/BADCy、Al2O3/ZrW2O8/BADCy、HSO/ZrW2O8/BADCy和VSO/ZrW2O8/BADCy复合材料的热膨胀系数分别降低了24.97%、24.34%、19.65%、21.90%、16.15%。
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