石英纤维增强聚酰亚胺复合材料的高温界面老化

《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：High-temperature interface ageing of quartz fiber reinforced polyimide composites

　　

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  利用单纤维推出台技术对石英纤维/聚酰亚胺（QF/PI）复合材料的界面退化进行了定量评估。
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  揭示了一种温度依赖的、两阶段的界面退化机制。
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  在400$°$°C下，环氧树脂的本征热解主导了界面退化，将牢固的化学键转变为微弱的非键合力。

引言

石英纤维（QF）增强聚酰亚胺（PI）复合材料由极低介电损耗的QF和耐高温PI基体组成，由于其密度低、在高温（300°C或更高）下具有优异的机械性能以及出色的电磁透明性，已被广泛认为是下一代航空航天和航空应用的革命性材料之一[1], [2], [3], [4], [5]。然而，这些优异的机械和电磁性能在高温长期服役过程中往往会迅速退化。这种退化主要由界面退化驱动，这是一个严重限制QF/PI复合材料使用寿命的关键问题[6], [7]。

QF/PI界面的脆弱性主要源于常用环氧基纤维上浆剂的耐温性较差。通常，环氧基纤维上浆剂由环氧树脂作为成膜剂和多种小分子添加剂（如润滑剂和表面活性剂）作为加工助剂组成[8], [9]。在300°C以上的高温连续服役过程中，以上浆剂为主的界面区域经历顺序热分解，起始于小分子添加剂的扩散和挥发，随后是环氧成膜剂的分解，这导致复合材料界面的渐进性热退化[2], [10], [11], [12]。

为了减轻界面临高温退化，已经采用了两种主要的预处理策略：(1) 热脱浆或溶剂脱浆以完全去除环氧基上浆剂[13], [14]；(2) 水洗以选择性去除热敏感的小分子添加剂，同时保留大部分成膜剂。尽管这些策略已在实际中应用，但它们大多基于经验和直觉。因此，关于它们实际效果的两个关键问题仍未得到解答：第一，这些预处理能否减轻QF/PI界面在长期服役过程中的热退化？第二，如果可以，它们有效的具体温度范围是什么？回答这些问题的困难主要源于传统复合材料界面表征技术的当前局限性[15]。一方面，层间剪切试验等宏观评价只能对复合材料界面粘附性提供定性评估[16], [17]。另一方面，传统的定量微力学方法，如微液滴脱粘试验，受到样品制备困难的严重限制[18], [19], [20]，尤其是对于在制造过程中需要精确控温和高压控制的复合材料[7]。因此，在高温老化过程中定量研究QF/PI复合材料的动态界面退化行为并揭示其内在机制是非常具有挑战性的。

本研究利用原位单纤维推出台技术与反应性分子动力学（MD）模拟相结合的方法，研究了QF/PI复合材料在高温老化过程中的界面退化。构建了三种类型的复合材料界面：PI基体分别与热脱浆QF、原始QF和水洗QF组成的界面，并进行了定量评估。研究发现，环氧上浆界面的界面退化受温度依赖的两阶段热化学机制控制，该机制既涉及大量微孔引起的物理空化，也涉及环氧网络的基本化学分解。我们的发现揭示了环氧上浆为主的复合材料界面从宏观到原子尺度的热退化行为，强调了为高温环境中运行的复合材料开发具有更高耐热性的先进上浆剂的迫切需求。

章节摘要

实验方法

构建了三种QF/PI界面状态，以系统研究QF/PI复合材料在高温老化时的热退化。相应的QF/PI复合材料通过将QF织物与PI薄膜层压形成预浸料来制备，随后使用辅压真空袋法（AVB）进行热固化[7]。制备的复合材料随后在两种不同温度（300°C和400°C）下进行等温老化

热老化前的界面行为

使用单纤维推出台试验表征了三组样品AR-QF/PI、TD-QF/PI和WW-QF/PI的QF/PI复合材料界面行为。图2(a)显示了AR-QF/PI界面在不同老化时间的热老化推出台力-位移曲线。所有曲线初始阶段均表现出力的非线性增加，这是由于支撑间薄复合材料片的弹性弯曲引起的[22]。在初始阶段之后，进入线性的力-位移阶段

结论

本研究系统调查了QF/PI复合材料的温度依赖性界面退化。我们的结果表明，虽然完全去除上浆剂（TD-QF）严重削弱了界面，但选择性水洗处理（WW-QF）有效缓解了早期退化，在300°C下保持了约$～$85%的初始界面剪切强度（IFSS）。然而，在暴露于400°C时，AR-QF和WW-QF复合材料的界面都遭受了

CRediT作者贡献声明

Jiajia Cheng：原创初稿撰写、方法论、研究调查、数据整理、概念构思。Xiaoran Wei：原创初稿撰写、方法论、研究调查、数据整理。Qifeng Jin：研究调查、数据整理。Yonglyu He：方法论、研究调查。Su Ju：研究调查、形式分析。Changping Yin：形式分析。Suli Xing：形式分析。Jinshui Yang：方法论、概念构思。Jianwei Zhang：原创初稿撰写、方法论、研究调查、资金获取

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。

Jiajia Cheng|Xiaoran Wei|Qifeng Jin|Yonglyu He|Su Ju|Changping Yin|Suli Xing|Jinshui Yang|Jianwei Zhang|Ke Duan