三種聚酰亞胺塑料熱膨脹系數(shù)測(cè)試研究

張麗娜 閆秀芬 鄭立春 楊堅(jiān) 張海峰 賀曄紅

（中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

引言

聚酰亞胺是指大分子主鏈結(jié)構(gòu)中含有酰亞胺基團(tuán)的一類塑料，是目前唯一實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的雜環(huán)類聚合物。聚酰亞胺材料在溫度發(fā)生變化時(shí)，各維的長(zhǎng)度和體積都會(huì)發(fā)生變化。為保證我廠使用的聚酰亞胺襯套膨脹及收縮程度在正常范圍內(nèi)，不影響裝配效果，需要對(duì)聚酰亞胺材料的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行測(cè)試分析。結(jié)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)上的使用工況及多批次不同廠家的聚酰亞胺材料在一定溫度范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)測(cè)試對(duì)比試驗(yàn)，最終確定聚酰亞胺材料熱膨脹系數(shù)試驗(yàn)方法，并為確定符合發(fā)動(dòng)機(jī)要求的材料參數(shù)累計(jì)數(shù)據(jù)，完善該材料熱性能數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)設(shè)備使用功能。

1 研究目標(biāo)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

聚酰亞胺材料用做制造壓氣機(jī)中的耐磨襯套等零部件。在高溫條件下具有高強(qiáng)度、低摩擦系數(shù)、低膨脹系數(shù)、自潤(rùn)滑等特點(diǎn)。要清楚的了解溫度變化對(duì)聚酰亞胺材料的影響，保證發(fā)動(dòng)機(jī)使用的聚酰亞胺襯套膨脹及收縮程度在正常范圍內(nèi)，不影響裝配效果，首先應(yīng)研究其宏觀熱膨脹系數(shù)，并進(jìn)行細(xì)致分析。

1.2 試驗(yàn)原理

連續(xù)升溫法：試樣在等速升溫下，不斷伸長(zhǎng)，通過(guò)儀器記錄隨時(shí)間不同的伸長(zhǎng)量和相對(duì)應(yīng)的溫度，而描繪出△l-T曲線或△l-時(shí)間與△T-時(shí)間曲線，從曲線上求出某一溫度的線膨脹系數(shù)。

熱膨脹儀（DIL）為使樣品處在一定的溫度程序（升／降／恒溫及其組合）控制下，測(cè)量樣品長(zhǎng)度隨溫度或時(shí)間變化的過(guò)程。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于陶瓷材料、金屬材料、塑膠聚合物、建筑材料、耐火材料、復(fù)合材料等領(lǐng)域。利用熱膨脹儀可以研究材料的線膨脹與收縮，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、軟化點(diǎn)溫度、相變溫度，研究燒結(jié)過(guò)程，優(yōu)化燒結(jié)工藝。

1.3 零件類型

聚酰亞胺零件主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及聯(lián)動(dòng)環(huán)等部位，是發(fā)動(dòng)機(jī)上使用最多的非金屬材料。在380℃或更高的溫度下可以使用數(shù)百小時(shí)，短時(shí)間可以經(jīng)受400-500℃的高溫。要求零件在高溫條件下具有高強(qiáng)度、低摩擦系數(shù)、低膨脹系數(shù)、自潤(rùn)滑等特點(diǎn)。

2 試驗(yàn)

2.1 材料及成型工藝

為了滿足型號(hào)研制任務(wù)，在某新機(jī)研制的不同時(shí)期采用了不同牌號(hào)的聚酰亞胺材料，依次采用的主要材料牌號(hào)為產(chǎn)品1、產(chǎn)品2、產(chǎn)品3。為進(jìn)行全面衡量考核，分別選擇這三種產(chǎn)品棒料進(jìn)行熱膨脹系數(shù)試驗(yàn)。

聚酰亞胺模塑粉的制備及成品的成型過(guò)程大致如下：在清潔、干燥的反應(yīng)容器中，將組份一溶解在二甲基乙酰胺和二甲苯組成的混合溶液中，待溶解后，加入一定比例的組份二，和石墨等填料，反應(yīng)一段時(shí)間后，進(jìn)行脫水，析出粉體，該粉體經(jīng)過(guò)濾、洗滌、烘干后，即得到模塑粉；將制備好的模塑粉，按需要量裝入模具中，在設(shè)定的溫度和壓力下成形，然后，將坯件再進(jìn)行后處理，處理好的模塑件，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行機(jī)加工，得到聚酰亞胺試樣。

根據(jù)儀器加熱爐體積確定熱膨脹系數(shù)試樣尺寸為：φ5mm×50mm的圓棒。

2.2 設(shè)備

DIL 402C 熱膨脹儀 德國(guó)耐馳公司生產(chǎn)。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

（1）在做完儀器調(diào)試得到標(biāo)樣基線后，放入溫度已達(dá)到并穩(wěn)定在室溫的待測(cè)試樣。進(jìn)入Sample+Correction 測(cè)試模式，輸入識(shí)別號(hào)、樣品名稱及實(shí)測(cè)長(zhǎng)度。

（2）選擇標(biāo)準(zhǔn)溫度校正文件，進(jìn)入溫度控制編程程序（即基線的升溫程序）。

（3）設(shè)置升溫速度為5K/min。

（4）儀器開(kāi)始測(cè)量，LVDT位移傳感器上連有推桿，通過(guò)與樣品的接觸獲取樣品長(zhǎng)度變化信號(hào)，樣品處于可控溫的爐體中，升溫過(guò)程中保持樣品測(cè)試的起始溫度及各升降溫、恒溫程序段必須完全相同，直到完成整個(gè)測(cè)試過(guò)程。在程序溫度過(guò)程中使用LVDT位移傳感器連續(xù)測(cè)量樣品長(zhǎng)度變化。

（5）數(shù)據(jù)分析部分：打開(kāi)測(cè)試文件，通過(guò)“設(shè)置”菜單將橫坐標(biāo)切換為溫度坐標(biāo)，將縱坐標(biāo)切換為dL/Lo 坐標(biāo)。對(duì)曲線進(jìn)行修正后，對(duì)需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)果。

2.4 結(jié)果

得出三種材料的熱膨脹系數(shù)曲線，為Tech.Alpha（工程膨脹系數(shù)，即平均膨脹率）曲線。

3 結(jié)果討論與分析

（1）通過(guò)對(duì)測(cè)試圖譜的分析，可以看出這三種聚酰亞胺材料熱膨脹系數(shù)都隨溫度升高而增加，較低溫度時(shí)（30℃～300℃）熱膨脹系數(shù)增加平緩，而較高溫度下（300℃～500℃）熱膨脹系數(shù)增加很快。聚酰亞胺材料熱膨脹系數(shù)在300℃～500℃范圍內(nèi)變化較大，因此，在其應(yīng)用及性能壽命分析的模擬計(jì)算中必須考察其性能的熱穩(wěn)定性問(wèn)題。（2）通過(guò)對(duì)三種材料的圖譜對(duì)比可以看出，這三種聚酰亞胺材料差別不大，50-500℃內(nèi)熱膨脹系數(shù)平均值從小到大依次為：47×10-6、57×10-6、63×10-6。 前兩種材料拐點(diǎn)的出現(xiàn)基本上在500℃左右，另外一種拐點(diǎn)出現(xiàn)在528℃，均能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)耐熱性的要求。

（3）在大多數(shù)情況下，結(jié)果與試驗(yàn)值的變化趨勢(shì)和具體值都有較好的一致性。同時(shí)，工藝對(duì)材料性能的影響也不能忽視，可能導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定。

結(jié)語(yǔ)

該方法可以用于聚酰亞胺材料熱膨脹系數(shù)的測(cè)量。

三種聚酰亞胺材料都能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)耐熱性的要求，產(chǎn)品2聚酰亞胺材料的耐熱膨脹程度略優(yōu)于其余兩種材料。

[1]塑料測(cè)試技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社.

[2]塑料標(biāo)準(zhǔn)大全[M].化學(xué)工業(yè)出版社.

[3]塑料成型加工[M].上海市塑料研究所.