采用微波辐照技术制备热膨胀及玻璃化温度渐变的梯度聚合物材料的研究

摘要

梯度功能材料(FGM)是一类在结构和组成等因素上连续或准连续变化,从而性能相应于结构和组成变化而渐变的非均质复合材料,由于其优异的性能、新颖的设计思想及重要的应用背景受到先进工业国家广泛的关注和高度重视.在众多FGM的研究中,FGM的构造和功能设计以及新型FGM的开发是目前FGM发展的主流.该文将无机物/无机物FGM的设计思想和聚合物/聚合物FGM的研究方法相结合,设计了无机物/聚合物和聚合物/聚合物两种体系的FGM、完成上述两类FGM的构造和性能设计.采用微波加工手段,确定了FGM设计中的所需的性能参数并制备出相应的FGM.在无机物/聚合物FGM的研究中,以硅微粉(SiO<,2>)和环氧(EP)为组分,设计并制备了热膨胀渐变的SiO<,2>/EP FGM;在聚合物/聚合物FGM的研究中,选取聚氨酯(PU)、环氧(EP)为主要成分,设计并制备了玻璃化温度渐变的PU/EP FGM.上述体系的研究,不仅为无机物/高聚物以及高聚物/高聚物两种组合方式的FGM的结构和性能设计提供了理论上依据和数学模型,而且建立一套设计、制备、表征无机物/聚合物、聚合物/聚合物两种FGM的新方法.每种材料体系研究内容分为三部分.(1)探讨在微波照射下SiO<,2>/EP复合材料和PU/EP/DDM共聚体系的固化过程,弹性模量(E)、强度、热膨胀系数(α)、玻璃化温度(T<,g>)等性质,确立了固化条件与性质之间的关系;(2)按照梯度材料设计理念设计出SiO<,2>/EP和PU/EP FGM,分别用解析法和有限元计算机模拟,完成SiO<,2>/EP和PU/EP FGM的热应力缓和特性设计,得到最佳设计结果;(3)利用计算结果,运用涂层法,采用微波固化技术,制备出热膨胀渐变的SiO<,2>/EP FGM和玻璃化温度渐变的PU/EP FGM,模拟实际稳态温度场中应用环境,对热应力分布进行了计算,并对其结构和机械性能进行分析和研究.

目录

摘要

第一章前言

1.1 FGMs的研究背景

1.2无机/无机FGMs

1.2.1无机/无机组合的FGMs研究

1.2.2无机物/无机物组合的FGMs的应用前景

1.3高聚物/填料组成的FGM

1.3.1高聚物/填料组成的FGM的制备方法

1.3.2填料/高聚物组成的FGM研究进展

1.4聚合物/聚合物组成的FGM

1.4.1聚合物/聚合物组成的FGM制备方法

1.4.2聚合物/聚合物组成的FGM的性能及应用前景

1.5微波在高分子材料加工中的应用

1.5.1概述

1.5.2微波加工高分子材料的研究进展

1.5.2微波加工含高聚物组分的FGMs的优势

1.6本文总体构思及研究方法

参考文献

第二章实验部分

2.1实验原料及设备

2.2实验内容

2.3测试与表征

参考文献

第三章连续微波固化EP/DDM极其热性能研究

3.1 E44/DDM固化过程研究

3.1.1微波输出功率与聚合物温度之间的关系

3.1.2微波输出功率与凝胶化时间的关系

3.1.3微波固化EP/DDM体系的结构

3.1.4反应程度与时间的关系

3.2 EP/DDM微波固化的热性能

3.2.1 DSC和TG分析

3.2.2EP/DDM微波固化的热膨胀性能

3.3本章结论

参考文献

第四章SiO2/环氧(EP)体系的微波固化及SiO2/EP FGM研究

4.1连续微波法制备SiO2/EP复合材料及其性能的研究

4.1.1复合材料各组分的微波吸收特性

4.1.2复合材料组成与温度之间的关系

4.1.3微波辐照条件与复合材料性能之间的关系

4.1.4微波辐照下材料性能与组成之间的关系

4.1.5本节结论

4.2 SiO2/EP热膨胀性渐变的FGM的设计及热应力分析

4.2.1 FGM分析模型与热应力边界条件

4.2.2 FGM成分分布

4.2.3 FGM的热应力模型

4.2.4体系物性参数的确定

4.2.5讨论

4.2.6本节结论

参考文献

第五章环氧树脂/苯酚封端的聚氨酯预聚物(EP/PU)体系的微波固化过程及EP/PU FGM研究

5.1EP/PU/DDM体系的微波固化

5.1.1微波固化EP/PU/DDM的热行为

5.1.2EP/PU/DDM产物结构分析

5.1.3微波固化EP/PU/DDM的相结构

5.1.4微波照射下体系的强度和弹性模量研究

5.1.5EP/PU/DDM体系的拉伸行为

5.1.6微波固化PU/EP/DDM热膨胀性能研究

5.1.7本节结论

5.2 EP/PU玻璃化温度渐变的FGM的热应力缓和设计和强度研究

5.2.1体系物性参数的测定

5.2.2EP/PU FGMs残余热应力模拟计算

5.2.3 FGM机械性质的表征

5.2.4本节结论

5.3EP/PU梯度功能材料的微波制备、结构和隔热应力分析

5.3.1 FGM中PU的含量分析

5.3.2 FGM中PU的形貌分析

5.3.3七层FGM中各层性质变化

5.3.4七层FGM在稳态非均匀温度场中隔热应力分析

5.3.5本节结论

参考文献

第六章结论与创新

Abstract

致谢

博士期间发表(待发表的论文)和研究成果