POSS雜化PVDF復(fù)合材料的制備表征與抗原子氧侵蝕分析.pdf

1、壓電聚合物材料與壓電陶瓷相比較，具有許多優(yōu)異的性能及應(yīng)用潛力，如制備工藝簡(jiǎn)單、材料柔軟且密度低等優(yōu)點(diǎn)。由于具有這些明顯的優(yōu)勢(shì)，壓電聚合物已經(jīng)在航空航天、汽車船舶等領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。在眾多高聚物中，聚偏氟乙烯(PVDF)是最常用的壓電聚合物材料已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并作為高性能壓電聚合物材料已經(jīng)應(yīng)用于航天系統(tǒng)設(shè)備的傳感和控制系統(tǒng)等部件。然而，PVDF會(huì)受到空間輻射環(huán)境尤其是原子氧沖刷的影響而失效。目前來(lái)講，使用納米尺寸的多面體倍

2、半硅氧烷(POSS)加固PVDF，改性PVDF壓電材料是提高 PVDF材料抗輻射性能及綜合性能最有希望的選擇。但使用 POSS加固PVDF材料的工藝方法，改性后復(fù)合材料的物理性能、電學(xué)性能以及抗輻射能力等相關(guān)方面的研究報(bào)道至今并不多見(jiàn)，亟需開(kāi)展深入細(xì)致的科研工作。
　　本論文提出了用溶劑蒸發(fā)的方式實(shí)現(xiàn) PVDF薄膜與不同含量的POSS雜化PVDF復(fù)合材料的制備工藝方法。對(duì)POSS雜化PVDF復(fù)合材料微觀形貌、晶相、熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)

3、等性能進(jìn)行了測(cè)試和分析，并利用Monte Carlo法對(duì)復(fù)合材料的抗原子氧侵蝕進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究出了POSS作為納米雜化材料在改性PVDF聚合物所起到的積極作用?？偨Y(jié)出了一套適合加固PVDF聚合物的方案，對(duì)于POSS加固的其他高聚物也有一定的借鑒作用。
　　首先，本文所在研究小組在眾多種 POSS中優(yōu)選到適合加固基質(zhì) PVDF的氟化POSS，通過(guò)溶劑蒸發(fā)法制備出了不同含量下的POSS雜化PVDF復(fù)合材料并進(jìn)行微觀晶相分析。微觀形

4、貌觀測(cè)中證實(shí)了氟化 POSS與基質(zhì) PVDF具有良好的相容性，分子團(tuán)的尺寸也因受到POSS摻雜而改變。光譜分析得出了通過(guò)低溫溶劑蒸發(fā)的方法制備的復(fù)合材料呈現(xiàn)出高含量的可用于制作壓電薄膜的β晶相的特征峰，POSS并未在PVDF基質(zhì)中團(tuán)簇結(jié)晶。
　　其次，本文將POSS雜化PVDF復(fù)合材料進(jìn)行熱-力學(xué)性能測(cè)試。采用差示掃描量熱分析儀和熱重分析儀等設(shè)備研究了復(fù)合材料的熱學(xué)性能，分析了POSS對(duì)復(fù)合材料多項(xiàng)熱學(xué)特征值的影響。采用包括萬(wàn)能力

5、學(xué)拉伸機(jī)，硬度計(jì)和納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)(納米拉伸機(jī)與納米壓痕儀)進(jìn)行了靜態(tài)力學(xué)、硬度和納米力學(xué)測(cè)試和分析。通過(guò)不同尺度測(cè)試手段，重點(diǎn)討論了POSS加固 PVDF的補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理。并結(jié)合部分常規(guī)性能依據(jù)，總結(jié)出了POSS自身結(jié)構(gòu)、加固配比以及作為多種特殊功能試劑等因素在影響復(fù)合材料力學(xué)性能方面所起的積極作用。
　　再次，本文在 POSS雜化 PVDF復(fù)合材料的基礎(chǔ)上施加高壓電場(chǎng)使偶極子在電場(chǎng)作用下有序取向，制備了壓電功能復(fù)合材料。分析了高壓電

6、場(chǎng)對(duì)微觀形貌和晶相的顯著影響。對(duì)POSS雜化 PVDF復(fù)合材料進(jìn)行了包括介電性能、壓電性能和鐵電性能等電學(xué)性能的測(cè)試。重點(diǎn)研究了POSS對(duì)基質(zhì) PVDF的電學(xué)性能影響。驗(yàn)證出了POSS的加入降低了復(fù)合材料的介電常數(shù)和介電損耗，對(duì)壓電性能影響不大，復(fù)合材料也呈現(xiàn)出典型的鐵電特征。評(píng)估了POSS在改變材料電學(xué)性能的所起的作用。
　　最后，基于Monte Carlo數(shù)值模擬完成了POSS雜化PVDF復(fù)合材料原子氧侵蝕的研究。該數(shù)值模擬以

7、NASA長(zhǎng)期飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，原子氧侵蝕其他聚合物材料的部分假設(shè)和經(jīng)驗(yàn)公式為理論基礎(chǔ)，確定出侵蝕的重要模擬參數(shù)，利用Matlab軟件進(jìn)行了數(shù)值仿真，評(píng)估了原子氧環(huán)境對(duì)PVDF及 POSS雜化復(fù)合材料的侵蝕效應(yīng)的影響。證實(shí)了PVDF在原子氧環(huán)境下的高侵蝕效應(yīng)，而 POSS摻雜可以有效提高PVDF抗原子氧的侵蝕性能。同時(shí)按照實(shí)際侵蝕情況，以1~5年原子氧輻照累積通量模擬 PVDF與POSS雜化復(fù)合材料所受原子氧侵蝕的影響。分析出初始裂紋尺寸與原