一种聚酰亚胺复合材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种聚酰亚胺复合材料及其制备方法 (Polyimide composite material and preparation method thereof ) 是由 孟思益 罗熙雯 王芳 周利庄 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及聚酰亚胺领域,具体涉及一种聚酰亚胺复合材料及其制备方法。本发明提供一种低热膨胀系数聚酰亚胺复合材料,与传统的石墨填充聚酰亚胺复合材料相比,该材料生产工艺简单,具有较低的热膨胀系数。本发明的技术方案为：一种低热膨胀系数耐高温聚酰亚胺复合材料,是由以下重量百分比的原料组成：聚酰亚胺树脂：54-83；石墨：10-30；碳纤维：5-10；金属纳米纤维：2-6。通过在传统的石墨填充耐高温聚酰亚胺基础上,同时添加碳纤维和金属纳米纤维,不仅可以提高材料的力学性能,还能使材料热膨胀系数降低20％以上,大幅提高了材料在高温下的尺寸稳定性。(The invention relates to the field of polyimide, and particularly relates to a polyimide composite material and a preparation method thereof. Compared with the traditional graphite filled polyimide composite material, the polyimide composite material with the low thermal expansion coefficient provided by the invention has the advantages of simple production process and lower thermal expansion coefficient. The technical scheme of the invention is as follows: a low thermal expansion coefficient high temperature resistant polyimide composite material is composed of the following raw materials by weight percent: polyimide resin: 54-83; graphite: 10-30 parts of; carbon fiber: 5-10; metal nano-fiber: 2-6. On the basis of traditional high-temperature-resistant polyimide filled with graphite, carbon fibers and metal nanofibers are added simultaneously, so that the mechanical property of the material can be improved, the thermal expansion coefficient of the material can be reduced by more than 20%, and the dimensional stability of the material at high temperature is greatly improved.)
技术领域
本发明涉及聚酰亚胺领域，具体涉及一种聚酰亚胺复合材料及其制备方法。
背景技术
聚酰亚胺树脂具有优异的耐热性能和力学性能，一直是航空发动机耐高温复合材料研究的重点。聚酰亚胺可在280-450℃范围内使用，聚酰亚胺基复合材料具有良好的机械性能和电性能、高比强度和比刚度、优异的热稳定性和化学稳定性、热膨胀系数小、耐溶剂性强、尺寸稳定性高、易于成型形状复杂的制件，是目前航空发动机使用较广泛的结构用树脂基复合材料。以均苯四甲酸酐(PMDA)和4,4-二氨基二苯醚(ODA)为单体缩聚而成的PMDA-ODA型聚酰亚胺树脂，其分子结构刚性大、分子链规整、对称性好，耐热性能优异，通过在PMDA-ODA型聚酰亚胺树脂中填充石墨，可提高其润滑、耐磨性能，可用于航空发动机耐高温部件、如衬套、轴承等。
目前，国内发动机使用的聚酰亚胺树脂基复合材料主要有纤维增强聚酰亚胺和石墨填充聚酰亚胺。石墨填充聚酰亚胺(PMDA-ODA)复合材料具有优异的耐热、润滑、耐磨等性能，短期使用温度可达到450℃以上，但这类材料的热膨胀系数较大，高温下尺寸稳定性较差，且生产工艺复杂，需要特殊的成型与处理工艺，因此制造成本较高，难以实现连续化大批量生产。纤维编织增强聚酰亚胺复合材料的力学性能优异，耐久性好，热固性聚酰亚胺树脂基体耐热性能好，使用温度最高可达360-370℃，同时具有低的摩擦因数，并且与石墨填充线性聚酰亚胺复合材料相比，具有极低的线膨胀系数，尺寸稳定性显著提高，但碳纤维编织成本高、制造工艺复杂，导致纤维编织复合材料的应用受到极大制约。
发明内容
本发明的目的是提供一种低热膨胀系数聚酰亚胺复合材料，与传统的石墨填充聚酰亚胺复合材料相比，该材料生产工艺简单，具有较低的热膨胀系数，提高了材料在高温工况下的尺寸稳定性。
为解决上述技术，本发明的技术方案为：
一种低热膨胀系数耐高温聚酰亚胺复合材料，其特征在于，是由以下重量百分比的原料组成：
聚酰亚胺树脂：54-83
石墨：10-30
碳纤维：5-10
金属纳米纤维：2-6。
进一步地，所述聚酰亚胺树脂为以均苯四甲酸酐(PMDA)和4,4-二氨基二苯醚(ODA)为单体缩聚而成的PMDA-ODA型聚酰亚胺树脂。
进一步地，所述石墨为800目以上片状石墨、无定型石墨中的一种或两种的组合，石墨作为自润滑功能填料，可以增强复合材料的耐热性、润滑性及耐磨性能。
进一步地，所述碳纤维长度为200-500μm。碳纤维于基体树脂的结合能增强复合材料的力学性能，降低其线性膨胀系数，提高尺寸稳定性。
进一步地，所述金属纳米纤维为铜纳米纤维、铝纳米纤维或不锈钢纳米纤维中的一种或多种，其长度为50-1000μm，直径为50-500nm。选用了金属纳米纤维，其粒径小、比表面积较大，和基体树脂的界面结合力较强，能提高复合材料的力学性能；同时金属纳米纤维热膨胀系数低且分散性好，添加在复合材料中能降低其热膨胀系数。
优选地，所述金属纳米纤维长度为100-500μm，直径为50-100nm。
进一步地，一种聚酰亚胺复合材料的制备方法包括以下步骤：
S1、将金属纳米纤维在酒精中清洗8-12min，然后干燥2-3h。
S2、将聚酰亚胺树脂、石墨、碳纤维在150-175℃条件下干燥3-5h。
S3、将经步骤S1和步骤S2处理后得到的金属纳米纤维、聚酰亚胺树脂、石墨及碳纤维按配方质量百分比例加入到高速混合机内，在常温下进行均匀混合得到混合材料。
S4、将模具内表面涂覆硅油高温脱模剂，将步骤S3所得的混合材料热压成型。
进一步地，所述步骤S4中热压成型是根据具体制备的部件选择相应的模具，将步骤S3制得的混合材料热压成型，得到聚酰亚胺复合材料。
进一步地，所述步骤S4中热压成型的热压温度为400-420℃，压力为70-100MPa，时间为1.5-2.0h。
优选地，所述原料重量百分比为：
聚酰亚胺树脂：67-76
石墨：15-20
碳纤维：6-8
金属纳米纤维：3-5。
进一步地，上述的一种聚酰亚胺复合材料的热膨胀系数≤36×10-6/℃。
与现有技术相比，本发明有如下的益效果：
传统石墨填充聚酰亚胺(PMDA-ODA)复合材料短期使用温度可达到450℃以上，但这类材料的热膨胀系数较大，高温下尺寸稳定性较差。
金属纳米纤维是一种粒径小、比表面积大，同时热膨胀系数小且分散性好且与基体树脂的界面结合力较强的纳米材料；通过在传统的石墨填充耐高温聚酰亚胺基础上，同时添加碳纤维和金属纳米纤维，不仅可以提高材料的力学性能，还能使材料热膨胀系数降低20％以上，大幅提高了材料在高温下的尺寸稳定性。本发明提供的一种低热膨胀系数聚酰亚胺材料，因在高温条件下尺寸稳定，在特定条件下可替代金属、陶瓷等耐高温的材料，可用于飞机发动机轴承、衬套等耐高温润滑耐磨材料。
传统的石墨填充聚酰亚胺复合材料或纤维编织增强聚酰亚胺复合材料的制造工艺较为复杂，成本也较高，而本发明提供的一种聚酰亚胺复合材料不需要特殊的成型或处理工艺，制备工艺简单，降低了制造成本，适合连续化大批量的生产制造。
附图说明
图1为本发明一种低热膨胀系数聚酰亚胺复合材料的制备流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1
将铜纳米纤维在酒精中清洗10min，然后干燥3h。
将PMDA-ODA型聚酰亚胺树脂、片状石墨、碳纤维在150℃条件下干燥5h。
将经上述步骤处理后得到的原料加入到高速混合机内，在常温下进行均匀混合，得到混合材料。原料重量份数如下：
PMDA-ODA型聚酰亚胺树脂58份
片状石墨30份
碳纤维10份
铜纳米纤维2份。
根据具体制备的部件将材料热压成型，热压工艺为：
将模具内表面涂覆硅油高温脱模剂，将上述混合材料加入到模具内，进行热压成型，模压温度为410℃，压力为90MPa，时间为1.5h。
实施例2
将铝纳米纤维在酒精中清洗8min，然后干燥3h。
将PMDA-ODA型聚酰亚胺树脂、片状石墨、碳纤维在150℃条件下干燥5h。
将经上述步骤处理后得到的原料加入到高速混合机内，在常温下进行均匀混合，得到混合材料。所述原料重量份数如下：
PMDA-ODA型聚酰亚胺树脂78份
片状石墨10份
碳纤维8份
铝纳米纤维4份。
根据具体制备的部件将材料热压成型，热压工艺为：
将模具内表面涂覆硅油高温脱模剂，将上述混合材料加入到模具内，进行热压成型，模压温度为420℃，压力为70MPa，时间为2h。
实施例3
将不锈钢纳米纤维在酒精中清洗10min，然后干燥2h。
将PMDA-ODA型聚酰亚胺树脂、无定型石墨、碳纤维在170℃条件下干燥3.5h。
将经上述步骤处理后得到的原料加入到高速混合机内，在常温下进行均匀混合，得到混合材料。所述原料重量份数如下：
PMDA-ODA型聚酰亚胺树脂71份
无定型石墨15份
碳纤维10份
不锈钢纳米纤维4份。
根据具体制备的部件将材料热压成型，热压工艺为：
将模具内表面涂覆硅油高温脱模剂，将上述混合材料加入到模具内，进行热压成型，模压温度为410℃，压力为80MPa，时间为1.5h。
实施例4
将铜纳米纤维在酒精中清洗12min，然后干燥3h。
将PMDA-ODA型聚酰亚胺树脂、片状石墨、碳纤维在175℃条件下干燥3h。
将经上述步骤处理后得到的原料加入到高速混合机内，在常温下进行均匀混合，得到混合材料。所述原料重量份数如下：
PMDA-ODA型聚酰亚胺树脂79份
片状石墨10份
碳纤维5份
铜纳米纤维6份。
根据具体制备的部件将材料热压成型，热压工艺为：
将模具内表面涂覆硅油高温脱模剂，将上述混合材料加入到模具内，模压温度为400℃，压力为70MPa，时间为2h。
实施例5
将铜纳米纤维在酒精中清洗12min，然后干燥3h。
将PMDA-ODA型聚酰亚胺树脂、片状石墨、碳纤维在160℃条件下干燥4h。
将经上述步骤处理后得到的原料加入到高速混合机内，在常温下进行均匀混合，得到混合材料。所述原料重量份数如下：
PMDA-ODA型聚酰亚胺树脂69份
片状石墨15份
碳纤维10份
铜纳米纤维6份。
根据具体制备的部件将材料热压成型，热压工艺为：
将模具内表面涂覆硅油高温脱模剂，将上述混合材料加入到模具内，模压温度为420℃，压力为90MPa，时间为2h。
上述实施例所选用的碳纤维长度均在200-500μm内，如200μm、300μm、500μm。
上述实施例所选用的金属纳米纤维长度均在50-1000μm内，如50μm、100μm、500μm、800μm、1000μm，优选在100-500μm内最佳，直径均在50-500nm内，如50nm、100nm、300nm、500nm，优选在50-100nm内最佳。
对比例1
将PMDA-ODA型聚酰亚胺树脂、片状石墨、碳纤维在150℃条件下干燥5h。
将经上述步骤处理后得到的原料加入到高速混合机内，在常温下进行均匀混合，得到混合材料。所述原料重量份数如下：
PMDA-ODA型聚酰亚胺树脂69份
片状石墨15份
碳纤维16份。
根据具体制备的部件将材料热压成型，热压工艺为：
将模具内表面涂覆硅油高温脱模剂，将上述混合材料加入到模具内，模压温度为400℃，压力为80MPa，时间为2h。
对比例2
将PMDA-ODA型聚酰亚胺树脂、片状石墨在150℃条件下干燥5h。
将经上述步骤处理后得到的原料加入到高速混合机内，在常温下进行均匀混合，得到混合材料。所述原料重量份数如下：
PMDA-ODA型聚酰亚胺树脂85份
片状石墨15份。
根据具体制备的部件将材料热压成型，热压工艺为：
将模具内表面涂覆硅油高温脱模剂，将上述混合材料加入到模具内，模压温度为420℃，压力为70MPa，时间为2h。
对实施例1-6和对比例1-2得到的产品进行性能测试，并进行性能对比。
拉伸强度依照GB/T 1040.1-2018和GB/T 1040.2-2006测定；
弯曲强度依照GB/T 9341-2008测定；
热膨胀系数依照GB/T 1036-2008测定。
性能对比如表1所示：
表1
由表1可以看出，本发明一种低热膨胀系数聚酰亚胺复合材料有着优异的力学性能，且与传统的石墨填充的聚酰亚胺复合材料相比较而言，由本发明技术所制得的聚酰亚胺复合材料的热膨胀系数有大幅降低，基本可降低20％以上，这大大提高了材料在高温环境下的尺寸稳定性。可见本发明材料在特定条件下可替代金属、陶瓷等耐高温的材料，可用于飞机发动机轴承、衬套等耐高温润滑耐磨材料。
且本发明一种低热膨胀系数聚酰亚胺材料的制备工艺简单，不需要特殊的成型处理工艺，降低了制造成本，更适合连续化大批量生产。
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