一种颗粒增强聚酰亚胺复合材料及超高压成型方法与流程

本申请涉及一种颗粒增强聚酰亚胺复合材料及超高压成型方法，属于复合材料。

背景技术：

1、轻量化、高能效、高可靠、低成本是航空航天飞行器结构及材料发展追求的主要目标。树脂基复合材料因其高比强度、比模量和良好的加工特性被广泛应用于航空型号结构件。经过50多年的发展，树脂基复合材料从早期的不饱和聚酯基复合材料发展到环氧、双马、氰酸酯以及聚酰亚胺等树脂基复合材料，主要朝着耐高温、承载、多功能一体化的方向发展。目前国外已开发出耐温等级更高、基本力学性能更优异的新一代颗粒增强聚酰亚胺基复合材料，凭借其耐高温、低磨损、高尺寸稳定性等优异性能广泛应用于航空发动机、汽车发动机、半导体器件、高温精密仪器等高端制造领域，取得了客观的商业价值；国内主要使用的材料体系为上世纪80年代开发，在耐温等级、摩擦磨损性能及基本力学性能方面缺乏竞争力，发展耐高温树脂基复合材料领域前沿技术、开发新一代耐高温/低磨损聚酰亚胺复合材料、探索颗粒增强聚酰亚胺复合材料超高压成型方法是必然发展趋势。

2、为了兼具高耐温等级、高尺寸稳定性和低磨损等多方面的性能，需要在聚酰亚胺树脂分子主链结构中引入大比例刚性芳环结构，在减少主链结构中的醚键或其他柔性基团的同时提高热塑性树脂体系的分子量以及热固性树脂体系的交联程度。然而，上述分子结构的改变不但会显著改变树脂流变行为，使树脂流动性能大幅下降，显著提升对复合材料成型压力的需求；同时会大幅提高树脂的玻璃化转变温度，拉高复合材料成型温度区间，显著提升对成型温度的需求。高温高压给聚酰亚胺复合材料的成型带来极大困难。因此，开发一种超高压成型方法是充分发挥高性能颗粒增强聚酰亚胺复合材料工程应用潜力的关键环节。

技术实现思路

1、本申请解决的技术问题是：针对耐高温、低磨损、高尺寸稳定性聚酰亚胺复合材料可加工性能差的问题，本发明提供了一种颗粒增强聚酰亚胺复合材料及超高压成型方法。

2、本申请提供的技术方案如下：

3、一种颗粒增强聚酰亚胺复合材料超高压成型方法，为包括粉末共混、模具预处理、热压成型和后处理等多步骤的成型方法。

4、一种颗粒增强聚酰亚胺复合材料超高压成型方法，包括如下步骤：

5、(1)将热塑性聚酰亚胺粉末、纳米填料和耐磨填料混合均匀，得到混合模塑粉；

6、(2)在超高压成型模具的填料槽周围铺放高温隔离膜；

7、(3)将上述混合模塑粉置于成型模具中，进行热压成型，获得热压成型毛坯；

8、(4)将热压成型毛坯装入后处理工装，在烘箱中高温处理，得到颗粒增强聚酰亚胺复合材料。

9、上述，步骤(1)中，所述热塑性聚酰亚胺粉末的平均粒径为10μm～75μm、分子量不低于5000；混合模塑粉的玻璃化转变温度250～400℃。

10、上述步骤(1)中，所述混合模塑粉中各组分的比重为：以重量份计各原料配比，聚酰亚胺模塑粉65份～84.5份，耐磨填料(石墨填料)15份～30份，纳米填料(氧化石墨烯填料)0.5份～5份。

11、所述混合模塑粉中聚酰亚胺模塑粉包括自制聚酰亚胺模塑粉或商品化的聚酰亚胺模塑粉。

12、所述商品化的聚酰亚胺模塑粉的型号为sp-1、sp-21、ts-1、ts-1-1或scp-5000。

13、所述耐磨填料为石墨粉末。

14、所述纳米填料为氧化石墨烯粉末。

15、所述石墨粉末的粒径为2μm～10μm，氧化石墨烯粉末的粒径为0.2μm～10μm。

16、上述步骤(2)中，所述模具铺放高温隔离膜的方法为：将高温脱模剂涂覆于高温隔离膜两面，在隔离膜表面制作透气孔，根据填料槽的尺寸剪裁隔离膜，在填料槽表面贴附隔离膜。隔离膜表面均匀分布刻缝，单条刻缝的长度应介于10～50mm之间，隔离膜表面的刻缝密度不应低于500条/m2。

17、所述高温脱模剂分解温度应高于450℃。

18、所述高温隔离膜的分解温度应高于450℃。

19、所述填料槽表面包括所有成型模具中与混合模塑粉直接接触的表面，对于由不同模具模块共同组成的同一填料槽表面，应制作合适尺寸的高温隔离膜分别贴附。

20、所述在填料槽表面贴附隔离膜过程应保证隔离膜与填料槽表面完全贴合，不应有肉眼可见气泡或折痕。

21、上述步骤(3)中，所述热压成型的方法为：初始温度为室温，初始压力为50～100mpa,升温速率为3～20℃/min，平衡温度比热塑性聚酰亚胺粉末的玻璃化转变温度高30～80℃，平衡压力为100～200mpa，平衡时间为0.5～1h。

22、上述步骤(4)中，所述后处理的方法可为：初始温度为室温～80℃，升温速率为3～20℃/min，平衡温度比热塑性聚酰亚胺粉末的玻璃化转变温度高50℃～100℃，平衡时间为2～10h。

23、发明原理：本发明提供了一种颗粒增强聚酰亚胺复合材料超高压成型方法。首先将热塑性聚酰亚胺粉末、氧化石墨烯粉末和高目石墨粉末混合均匀，得到混合模塑粉，同时在超高压成型模具的填料槽周围铺放高温隔离膜，然后将上述模塑粉置于成型模具中，进行热压成型，最后将热压成型毛坯装入后处理工装，在烘箱中高温处理，得到颗粒增强聚酰亚胺复合材料。

24、各组分的充分混合可以保证聚酰亚胺复合材料产品状态的稳定性，同时有效抑制了高温高压成型过程中不同组分热膨胀系数和导热系数差异引起的内应力集中现象。填料槽周围的高温隔离膜可以减少混合模塑粉与热压模具的接触面积，防止脱模工序对颗粒增强聚酰亚胺复合材料毛坯件的损伤，后处理工艺旨在将毛坯件升温至玻璃化转变温度以上，通过分子链段的运动进一步减少内应力，提高后续机加工序过程中产品的合格率。

25、本发明采用耐高温隔离膜消除了颗粒增强聚酰亚胺复合材料超高压成型过程难脱模的问题，同时采用后处理方法消除颗粒增强聚酰亚胺复合材料超高压成型过程引起的内应力集中现象。

技术特征：

1.一种颗粒增强聚酰亚胺复合材料超高压成型方法，其特征在于：包括将热塑性聚酰亚胺粉末、纳米填料和耐磨填料混合均匀，获得混合模塑粉；

2.根据权利要求1所述的一种颗粒增强聚酰亚胺复合材料超高压成型方法，其特征在于：以质量份计，所述聚酰亚胺模塑粉65份～84.5份，耐磨填料15份～30份，纳米填料0.5份～5份。

3.根据权利要求1所述的一种颗粒增强聚酰亚胺复合材料超高压成型方法，其特征在于：所述纳米填料为氧化石墨烯粉末；耐磨填料为石墨粉末。

4.根据权利要求3所述的一种颗粒增强聚酰亚胺复合材料超高压成型方法，其特征在于：所述热塑性聚酰亚胺粉末的平均粒径为10μm～75μm，氧化石墨烯粉末的粒径为0.2μm～10μm，石墨粉末的粒径为2μm～10μm。

5.根据权利要求1所述的一种颗粒增强聚酰亚胺复合材料超高压成型方法，其特征在于：所述铺放透气高温隔离膜的方法为：将高温脱模剂涂覆于透气高温隔离膜两面，根据填料槽的尺寸剪裁透气高温隔离膜，在填料槽表面贴附透气高温隔离膜，透气高温隔离膜与填料槽表面完全贴合；

6.根据权利要求5所述的一种颗粒增强聚酰亚胺复合材料超高压成型方法，其特征在于：所述高温脱模剂的分解温度高于热压成型和高温后处理平衡温度；高温隔离膜的分解温度高于热压成型和高温后处理平衡温度。

7.根据权利要求1所述的一种颗粒增强聚酰亚胺复合材料超高压成型方法，其特征在于：所述热压成型的条件为，初始温度为室温，初始压力为50～100mpa,升温速率为3～20℃/min，平衡温度比热塑性聚酰亚胺粉末的玻璃化转变温度高30～80℃，平衡压力为100～200mpa，平衡时间为0.5～1h。

8.根据权利要求7所述的一种颗粒增强聚酰亚胺复合材料超高压成型方法，其特征在于：所述高温后处理的条件为，初始温度为室温，升温速率为3～20℃/min，平衡温度比热塑性聚酰亚胺粉末的玻璃化转变温度高50℃～100℃，平衡时间为2～10h。

9.根据权利要求1或8所述的一种颗粒增强聚酰亚胺复合材料超高压成型方法，其特征在于：所述高温后处理平衡温度比热压成型平衡温度高10℃～30℃。

10.一种颗粒增强聚酰亚胺复合材料，其特征在于：根据权利要求1-9任一所述的一种颗粒增强聚酰亚胺复合材料超高压成型方法制得。

技术总结
本发明公开了一种颗粒增强聚酰亚胺复合材料及超高压成型方法，属于复合材料技术领域。本发明提供的颗粒增强聚酰亚胺复合材料超高压成型方法，包括如下步骤：(1)将热塑性聚酰亚胺粉末、纳米填料和耐磨填料混合均匀，得到混合模塑粉；(2)在超高压成型模具的填料槽周围铺放透气高温隔离膜；(3)将上述模塑粉置于成型模具中，进行热压成型；(4)将热压成型毛坯装入后处理工装，在烘箱中高温处理，得到颗粒增强聚酰亚胺复合材料。本发明制备的颗粒增强聚酰亚胺复合材料是兼具耐高温、低磨损、高尺寸稳定性的高性能树脂基复合材料，在航空发动机冷端耐磨件等高端制造领域具有广泛的应用前景。

技术研发人员：李学宽,潘玲英,陈薇,赵培晔,张云鹭,樊孟金,赵伟栋,张东霞,吴嘉宁,左小彪,王超
受保护的技术使用者：航天材料及工艺研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25