碳纳米管/纳米四氧化三铁复合聚酰亚胺的制备及性能研究
聚酰亚胺（Polyimide，以下简称PI）分子链中的酰亚胺环、芳香环等一系列特征结构的存在使得PI薄膜及纤维材料具有力学强度和力学模量高、耐高温性好、耐腐蚀性能优良、尺寸稳定性良好等出众的综合性能，在众多高科技领域展现出广阔的发展前景和应用空间。随着科技水平的进步，结构功能一体化设计已经成为材料科学领域特别是吸波材料领域研究的主要方向，本课题选用具有介电损耗效应的碳纳米管（CNTs）和具有磁损耗效应的纳米四氧化三铁（nano-Fe3O4）作为吸波剂，以低介电透波性良好、力学性能优良的PI作为基体，制备了PI复合薄膜和复合纤维，采用系列表征测试手段对薄膜及纤维的综合性能进行了较为系统的分析研究。 对不同CNTs含量的PI复合薄膜进行研究，傅里叶红外谱图（FT-IR）和X射线衍射仪（XRD）分析表明，CNTs的加入不会影响薄膜的亚胺化过程；当CNTs含量为0.5wt%时，薄膜的机械性能为实验范围最佳，拉伸强度、拉伸模量分别为281.34MPa、4.90GPa。热失重分析（TG）、动态热力学分析（DMA）及静态热力学分析（TMA）等热力学表征测试数据表明，CNTs的引入使得复合薄膜的热稳定性能和玻璃化转变温度（Tg）得到提高，也会引起薄膜热膨胀系数（CTE）的明显下降。使用矢量网络分析仪对复合薄膜的吸波性能进行测试，当CNTs含量为6.0wt%时，复合薄膜的吸波性能在实验范围内最佳，在2.0mm的吸波匹配厚度下得到的最低反射损耗（RLmin）约为?18.62dB，吸波带宽可达到2.72GHz。在此基础上向体系中引入具有磁损耗效应的nano-Fe3O4，探究不同CNTs/nano-Fe3O4比例对PI复合薄膜性能的影响，数据研究表明，nano-Fe3O4的引入对复合薄膜的吸波性能带来积极作用，当CNTs/nano-Fe3O4比例为3:1时，复合薄膜在吸波匹配厚度为2.0mm时计算得到的RLmin可达到-28.18dB。 进一步，在复合薄膜配方的基础上进行了纤维纺丝，探索了纤维制备工艺对其性能的影响。通过改变湿法纺丝工艺中的热亚胺化温度，探究亚胺化温度对复合纤维综合性能的影响。研究发现，设定的热亚胺化温度越高，复合纤维的亚胺化程度就越高，纤维取向度和机械性能越高，5wt%热分解温度越高，吸波性能也越好；当亚胺化温度为380℃时，复合纤维的拉伸强度为321.14MPa，拉伸模量为21.91GPa，取向度达到84.68%，5wt%热分解温度为567.10℃，RLmin可以达到-18.04dB。另外，通过改变纺丝过程中的凝固浴条件探究其对复合纤维综合性能的影响，研究发现，在凝固浴体积分数相同的前提下，纤维纺丝过程中凝固浴温度越高，复合纤维断面形状越不规则，X射线小角散射仪（SAXS）测试分析下复合纤维内部微孔平均半径越大，导致机械性能越差，但纤维的吸波性能越好；当凝固浴温度为50℃时，纤维内部微孔平均半径为4.97nm，复合纤维的RLmin为-54.61dB。
聚酰亚胺;纤维;碳纳米管;纳米四氧化三铁;吸波性能
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
牛鸿庆
2022
中文
TQ323.7
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）