论文部分内容阅读
航空航天技术的高速发展对结构材料提出了新要求,隔热吸波一体化的轻质功能材料成为现今研究的重点。聚酰亚胺（PI）气凝胶由于其密度低、隔热性能良好、热稳定性能和机械性能优异等特点成为航空航天领域应用的理想材料之一。气凝胶低密度和复杂的三维结构可以有效延长传热路径,降低固相传热获得优异的隔热性能。同时气凝胶的高孔隙率特征使得绝大部分电磁波能够进入材料内部,是高性能吸波的优质基材。但PI气凝胶制备存在收缩性大的问题,易造成其综合性能下降。同时PI材料是一种低介电聚合物,电磁波进入气凝胶内部后难以发生衰减,不能实现有效吸波。因此本研究旨在开发具备隔热/吸波功能一体化的PI气凝胶,为下一代高速飞行器需同时满足隔热和吸波功能提供一种新的思路和实验依据。本研究拟选择碳纳米纤维（CNF）和四氧化三铁（Fe3O4）作为增强材料制备PI复合气凝胶。CNF高长径比的特性能够在PI基体中穿插桥连,有效抑制气凝胶的体积收缩。同时其高导电性能有助于气凝胶吸波性能的提高。磁性纳米粒子Fe3O4的引入能提高体系磁损耗,与CNF引起的电阻损耗起到协同作用,从而进一步增强吸波性能。为提高CNF和Fe3O4与PI前驱体聚酰胺酸（PAA）的界面相互作用同时阻碍Fe3O4的氧化,对CNF进行酸化处理在表面接枝羧基基团,获得a-CNF。对Fe3O4进行SiO2包覆并进行氨基化处理,获得SiO2@Fe3O4-NH2。PAA与增强材料混合后经冷冻干燥、热胺化分别得到a-CNF增强PI气凝胶、SiO2@Fe3O4-NH2增强PI气凝胶和a-CNF、SiO2@Fe3O4-NH2协同增强PI气凝胶三个复合体系。对制备的PI复合气凝胶的综合性能进行研究,具体研究内容如下:（1）a-CNF增强PI气凝胶:通过调控a-CNF的质量分数（5 wt%,10 wt%,15 wt%）研究PI复合气凝胶的隔热、吸波及力学性能。结果表明:隔热性能方面,5 wt%a-CNF填充量的PI气凝胶由于孔径增大作用大于CNF本征传热作用,热导率达到最低,仅0.039 W/（m·K）。继续增加a-CNF的量,热导率略有上升。吸波性能方面,CNF增加了气凝胶的电阻损耗,因此吸波性能随填充量的增加而不断提高,15wt%a-CNF填充量的情况下,在8.41 GHz处最低反射损耗（RL）值达到-9.65 d B。力学性能方面,CNF加入有效提高了PI复合气凝胶的压缩强度和模量,当a-CNF的填充量为15 wt%时,相较于纯PI（Neat PI）气凝胶分别增加了0.5倍和1倍,达到了198.70 k Pa和684.82 kPa。（2）SiO2@Fe3O4-NH2增强PI气凝胶:研究SiO2@Fe3O4-NH2的填充量（10 wt%,20 wt%,30 wt%）对PI复合气凝胶的隔热、吸波及力学性能的影响。结果表明:隔热性能方面,热导率由于Fe3O4的导热性和抑制气凝胶收缩相互竞争呈现先下降后上升趋势,同时由于SiO2的加入,气凝胶的耐温性能增加。吸波性能方面,由于磁损耗增加,复合气凝胶的吸波性能有明显提升,30 wt%SiO2@Fe3O4-NH2填充量的PI复合气凝胶在14.42 GHz处最低RL值达到-40.32 d B。力学性能方面,由于SiO2@Fe3O4-NH2纳米粒子与PAA良好的界面相容性,强度得到了有效提高,但脆性变大导致压缩回弹性降低明显。（3）a-CNF、SiO2@Fe3O4-NH2协同增强PI气凝胶:由于30 wt%SiO2@Fe3O4-NH2填充量的PI复合气凝胶脆性大,受力时孔洞塌陷严重。综合考量后选择15 wt%a-CNF和20 wt%SiO2@Fe3O4-NH2作为增强相。隔热性能方面,虽然a-CNF和Fe3O4的加入会加剧骨架中的电子迁移和声子振动,但是复合气凝胶较高的孔隙率使得总体热导率相比单组份增强的复合气凝胶略微增加,达到0.046 W/（m·K）。吸波性能方面,Fe3O4与CNF的协同作用使得气凝胶的吸波峰向低频方向移动,在7.43 GHz处最低RL值达到-34.71 d B。力学性能方面,由于CNF的桥连和SiO2@Fe3O4与PAA基质良好界面相容性的双重作用,PI复合气凝胶的压缩强度有了明显提升,达342.44 kPa。