POSS雜化PVDF復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)異的性能及應用潛力，如制備工藝簡單、材料柔軟且密度低等優(yōu)點。由于具有這些明顯的優(yōu)勢，壓電聚合物已經在航空航天、汽車船舶等領域展現出了良好的應用前景。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得到了廣泛的應用，并作為高性能壓電聚合物材料已經應用于航天系統設備的傳感和控制系統等部件。然而，PVDF會受到空間輻射環(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，改性后復合材料的物理性能、電學性能以及抗輻射能力等相關方面的研究報道至今并不多見，亟需開展深入細致的科研工作。
　　本論文提出了用溶劑蒸發(fā)的方式實現 PVDF薄膜與不同含量的POSS雜化PVDF復合材料的制備工藝方法。對POSS雜化PVDF復合材料微觀形貌、晶相、熱學、力學、電學

3、等性能進行了測試和分析，并利用Monte Carlo法對復合材料的抗原子氧侵蝕進行了數值模擬。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出了一套適合加固PVDF聚合物的方案，對于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 PVDF的氟化POSS，通過溶劑蒸發(fā)法制備出了不同含量下的POSS雜化PVDF復合材料并進行微觀晶相分析。微觀形

4、貌觀測中證實了氟化 POSS與基質 PVDF具有良好的相容性，分子團的尺寸也因受到POSS摻雜而改變。光譜分析得出了通過低溫溶劑蒸發(fā)的方法制備的復合材料呈現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基質中團簇結晶。
　　其次，本文將POSS雜化PVDF復合材料進行熱-力學性能測試。采用差示掃描量熱分析儀和熱重分析儀等設備研究了復合材料的熱學性能，分析了POSS對復合材料多項熱學特征值的影響。采用包括萬能力

5、學拉伸機，硬度計和納米力學測試系統(納米拉伸機與納米壓痕儀)進行了靜態(tài)力學、硬度和納米力學測試和分析。通過不同尺度測試手段，重點討論了POSS加固 PVDF的補強機理。并結合部分常規(guī)性能依據，總結出了POSS自身結構、加固配比以及作為多種特殊功能試劑等因素在影響復合材料力學性能方面所起的積極作用。
　　再次，本文在 POSS雜化 PVDF復合材料的基礎上施加高壓電場使偶極子在電場作用下有序取向，制備了壓電功能復合材料。分析了高壓電

6、場對微觀形貌和晶相的顯著影響。對POSS雜化 PVDF復合材料進行了包括介電性能、壓電性能和鐵電性能等電學性能的測試。重點研究了POSS對基質 PVDF的電學性能影響。驗證出了POSS的加入降低了復合材料的介電常數和介電損耗，對壓電性能影響不大，復合材料也呈現出典型的鐵電特征。評估了POSS在改變材料電學性能的所起的作用。
　　最后，基于Monte Carlo數值模擬完成了POSS雜化PVDF復合材料原子氧侵蝕的研究。該數值模擬以

7、NASA長期飛行試驗數據，原子氧侵蝕其他聚合物材料的部分假設和經驗公式為理論基礎，確定出侵蝕的重要模擬參數，利用Matlab軟件進行了數值仿真，評估了原子氧環(huán)境對PVDF及 POSS雜化復合材料的侵蝕效應的影響。證實了PVDF在原子氧環(huán)境下的高侵蝕效應，而 POSS摻雜可以有效提高PVDF抗原子氧的侵蝕性能。同時按照實際侵蝕情況，以1~5年原子氧輻照累積通量模擬 PVDF與POSS雜化復合材料所受原子氧侵蝕的影響。分析出初始裂紋尺寸與原