[发明专利]一种基于PBO纤维的高性能透波复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于先进复合材料科学技术领域，涉及一种氰酸酯树脂基复合材料及其制备方法。

背景技术

随着航空、航天领域科学技术的发展，对透波复合材料的性能要求越来越高，除了要求具有低密度、高模量、优异的耐热性和高的比强度外、还要求具有优异的介电性能和小的热膨胀系数及良好的成型工艺等特点。而现今使用的玻璃纤维/环氧树脂材料存在较高的吸湿率和较弱的耐空间环境能力等问题，已无法满足未来飞行器高速飞行的要求。

PBO纤维具有高强度、高模量和仅2.1的介电常数，能够同时满足飞行器天线罩的高透波性以及力学性能方面的要求，注定了它在航空航天领域的重要应用。

氰酸酯树脂作为一类新型高性能树脂具有高的耐热性、低的介电系数和极小的介电损耗角正切值、低的吸湿率、小的热膨胀系数、优良的力学性能和阻燃性。因此，开发PBO纤维/氰酸酯树脂复合材料已迫在眉睫。但是，由于PBO纤维表面光滑、活性低，不易与树脂基体浸润，致使纤维与树脂间粘接性能差，复合材料界面性能低，影响了增强体纤维优异性能的充分发挥。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种高性能透波复合材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温以及介电性能优异且成型工艺性良好等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高性能透波复合材料，以PBO纤维为增强材料，以改性双酚A型氰酸酯树脂为基体，所使用的氰酸酯树脂中含有环氧改性剂，所述的环氧改性剂包括E-44和E-51。其中，

PBO纤维的结构为

氰酸脂树脂单体的结构为

E-44的结构为

E-51的结构为

本发明还提供所述高性能透波复合材料的制备方法，通过加热熔融法得到环氧改性的氰酸脂树脂预聚体，加入有机溶剂制成胶液，再将处理好的PBO纤维浸胶、缠绕、待溶剂挥发完后，得到预浸料，层铺于模具中，用高温模压成型法制备PBO纤维增强的氰酸酯复合材料。具体包括以下步骤：

(1)将PBO纤维浸入无机酸的体积份数为1/3～2/3的乙醇溶液中，乙醇溶液的用量以能浸没PBO纤维为标准，在50～70W的超声波作用下进行反应1～15min后，用蒸馏水洗涤后，放入烘箱中干燥，再用浓度为1.0～5.0wt％的偶联剂浸泡1～24h，再次洗涤、干燥，备用。

(2)将氰酸脂树脂单体与占其质量百分比1～20％的环氧改性剂混合，在120～160℃下预聚1～6h，得到预聚体，然后加入体积份数为预聚体1～5倍的丙酮或丁酮，混合均匀制成胶液，备用。

(3)将步骤(1)处理好的PBO纤维浸胶、缠绕、晾干。所述浸胶温度为室温，牵引速度为1.0m/min，刮胶棒间距为0.5～1.0mm，在室温下晾晒6～48h，待溶剂挥发完后，得到预浸料。

(4)将预浸料裁成与模具相同大小的尺寸，铺于模具中，高温模压成型。压制工艺为：先在100℃～130℃下预热处理0.5～2h，然后按140℃/2h+160℃/2h+180℃/2h+200℃/2h阶梯升温加压固化，压力保持5～20MPa，之后自然冷却到室温，脱模，即得PBO纤维增强复合材料。

所述无机酸是为甲基磺酸、硝酸、多聚磷酸中的任意一种。

所述偶联剂为γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(即KH-560)、γ-氨丙基三乙氧基硅烷(即KH-550)、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷(即A-171)、乙烯基三乙氧基硅烷(即A-151)中的任意一种。

本发明的有益效果是：本发明以高强度、高模量的PBO纤维为增强材料，以介电性能优异的改性双酚A型氰酸酯树脂为基体，所制备的复合材料除了具有高强度、高模量、耐高温的特点外，还具有层间剪切强度高和介电常数和介电损耗因子低的特点，可满足现代航空、航天领域对复合材料的苛刻要求。

本发明将PBO纤维表面经过两次处理。即将PBO纤维在酸溶液中处理的同时，辅以超声波处理，利用超声波的空化作用，缩短了反应时间。然后，用偶联剂处理，在纤维表面引入可与树脂反应的活性基团，在不损失纤维自身的强度同时，增强了纤维与树脂之间的粘接力。

本发明所用的树脂基体是以环氧改性的双酚A型氰酸脂树脂，既具有环氧树脂与纤维良好的粘接性能，又具有氰酸脂树脂的优异介电性能。并且，二者之间发生反应生成的噁唑啉酮等芳杂环结构，降低了三嗪环的交联密度，提高固化树脂的韧性，使得复合材料同时拥有良好的力学性能与介电性能，适合做航空航天高速飞行器的透波材料。

附图说明