CN103725001A - 一种航天用低电阻率聚酰亚胺复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种航天用低电阻率聚酰亚胺复合材料的制备方法，其特点在于，4,4’-二氨基二苯醚和二苯醚四甲酸二酐按等摩尔比例，在溶剂二甲基乙酰胺和沉淀剂甲苯或二甲苯混合试剂中于室温下进行聚合1-2小时，过滤出沉淀，得到聚酰亚胺粉料，接着于200℃-240℃热处理2-3小时使之亚胺化，获得聚酰亚胺粉料，50-70重量份聚酰亚胺粉料，23-37重量份晶须和6-24重量份玻璃纤维粉在混合器中均匀混合获得低电阻率聚酰亚胺复合材料粉料；把该模塑粉盛入模压模具中，在360℃-400℃和60-80MPa条件下模压成所需的制件；该制件具有体积电阻率1×1012-1×1015Ω.cm、表面电阻率1×1012-1×1015Ω，介电强度≥15KV/mm、拉伸强度≥70MPa、耐60（60Co）γ-射线剂量5×107rad(si)。

Description

一种航天用低电阻率聚酰亚胺复合材料的制备方法
一、技术领域
本发明涉及一种航天用低电阻率聚酰亚胺复合材料的制备方法，更确切地说涉及3,3’,4,4’-二苯醚四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚按等摩尔比反应制备可熔性聚酰亚胺复合材料的制备方法。
二、背景技术
航空航天用聚酰亚胺必须具有耐高低温、耐辐照和适中的电绝缘性能和高的力学性能。要求体积电阻率在1×1012-1×1015Ω.cm，表面电阻率在1×1012-1×1015Ω范围内，防止太空中的带电粒子使聚酰亚胺材料带电或被击穿。综观聚酰亚胺类模塑料的电性能如下表：
Figure BDA0000448021880000011
目前国内常用的一种航天用具有高电阻率的聚酰亚胺，其电阻率为1×1016-1×1017Ω.cm，表面电阻率为1×1015-1×1016Ω。它们用作航天器部件例如：太阳能电池板、太阳能板驱动机构导电环，由于处于太空等离子环境和空间高能电子辐射下，致使带电粒子沉积在聚酰亚胺零件表面及内部，达到一定程度形成一定电位差，造成内带电和把材料击穿，以致破坏航天器，危害较大。所以，这种情况必须避免。
现有技术美国国家航空和航天局手册-4002（NASA-HDBK-4002），欧洲通讯卫星系统（FCSS-E-ST-20-06）都提到避免航天器内部带电问题。降低绝缘材料的电阻率能有效降低太空高能带电子粒子潜入所造成的静电高压。
所以选择低电阻率、耐辐射、耐高低温、机械强度高、尺寸稳定性好，又能有效胶接和机加工的聚酰亚胺就非常必要了。
三、发明内容
为了克服高电阻率聚酰亚胺容易积累电荷进而导致高压放电问题，提供一种低电阻率聚酰亚胺复合材料，满足航天工业的应用要求。
本发明的技术方案为：4,4’-二氨基二苯醚和二苯醚四甲酸二酐按等摩尔比例，在溶剂二甲基乙酰胺和沉淀剂甲苯或二甲苯混合试剂中于室温下进行聚合1-2小时，过滤出沉淀，得到聚酰亚胺粉料，接着于200℃-240℃热处理2-3小时使之亚胺化，获得聚酰亚胺粉料；50-70重量份聚酰亚胺粉料，23-37重量份晶须和6-24重量份玻璃纤维粉在混合器中均匀混合获得低电阻率聚酰亚胺复合材料粉料；把该模塑粉盛入模压模具中，在360℃-400℃和60-80MPa条件下模压成所需的制件；该制件具有体积电阻率1×1012-1×1015Ω.cm、表面电阻率1×1012-1×1015Ω，介电强度≥15KV/mm、拉伸强度≥70MPa、耐60（60Co）γ-射线剂量5×107rad(si)，可在200℃F长期使用。
本发明中所述的增强剂晶须是从氧化锌、氧化铝和钛酸钾组成的群体中任选一种或两种以上的混合物，它们的晶须长度分为10～20μm,直径为0.2～0.5μm。晶须在复合材料组成中，不但起增强剂作用，而且，它能有效地降低可熔聚酰亚胺的电阻率。
本发明中所述的玻璃纤维粉为S型玻璃纤维粉。它具有高强度专供航天应用。
本发明在制备聚酰胺酸过程中采用溶剂沉淀聚合，使操作简便化，这是和现有技术完全不同的聚合方法。在亚胺化过程中省去了化学亚胺化步骤，在降低成本方面显得重要。
按照本发明实施制备的聚酰亚胺复合材料，符合太阳帆板驱动机构导电环的技术要求。其性能制备如下表：
Figure BDA0000448021880000021
低电阻率的聚酰亚胺复合材料能有效较快地释放所带的电荷。该材料机加工性能好，可加工成各种形状的制件。该材料工作温度在200℃以上，尺寸稳定性好，经历-50～+100℃热循环试验没有发生明显变形。在60Coγ射线5×107Rad(si)剂量照射后，体积电阻率变化不超过一个数量级，力学强度没有明显变化。
四、具体实施方案
为了更好地实施本发明特举例说明之，但实施例决不是对本发明的限制。
实施例1
2Kg（10mol）4,4’-二氨基二苯醚，3.1Kg（10mol）3,3’,4,4’-二苯醚四甲酸二酐溶解在15000ml二甲基乙酰胺和20000ml甲苯中于室温反应1.5小时，加热脱水；接着过滤出沉淀，、水洗三次沉淀，于120℃烘3小时，继之于200℃-240℃热亚胺化2.5小时，获得聚酰亚胺粉料。把60重量份聚酰亚胺粉料，30重量份氧化锌晶须和15重量份S型玻璃纤维粉在混合容器中混合均匀，获得低电阻率聚酰亚胺复合材料模塑粉。把该模塑粉按模具大小投入适中的量于360-400℃和60-80MPa条件下，模压成所需的制件。该制件具有体积电阻率2.5×1014Ω.cm，表面电阻率6.1×1013Ω，介电强度17.7KV/mm，介电常数（1MHz,20℃）4.58，拉伸强度102MPa，工作温度210℃。
该制件能用环氧胶粘剂粘接，进行车、铣、钻等机加工，及在-50℃～+100℃热变化X小时不发生明显变形。
60Coγ射线5×107Rad(si)照射后，体积电阻率变化6.7×1014Ω.cm，表面电阻率2.1×1015Ω，介电强度8.97KV/mm，介电常数（1MHz,20℃）4.96，拉伸强度（20℃），90MPa。
实施例2
除聚合反应1小时，样件制备投料比为聚酰亚胺粉料70重量份，氧化铝晶须23重量份、玻璃纤维粉6重量份，热亚胺化3小时外，其它配料比和操作步骤和实施例1一样。结果加工样件指标为：体积电阻率4.5×1014Ω.cm，表面电阻率6.2×1013Ω，介电强度19KV/mm，介电常数（1MH2,20℃）4.73，拉伸强度95MPa，工作温度205℃。
60Coγ射线5×107Rad(si)辐照后，性能指标变化为：体积电阻率6.7×1014Ω.cm，表面电阻率为2.1×1015Ω，介电强度8.97KV/mm，介电常数（1MHz,20℃）4.96，拉伸强度（20℃），90MPa。
实施例3
除聚合反应2小时，样件制备投料比为聚酰亚胺粉料50重量份，钛酸钾晶须37重量份，玻璃纤维粉24重量份，热亚胺化2小时外，其它配料比和操作步骤和实施例1一样。结果样件性能指标为：5×1014Ω.cm，表面电阻率6.1×1013Ω，介电强度19.5KV/mm，介电常数（1MH2,20℃）4.58，拉伸强度108MPa，工作温度220℃。60Coγ射线5×107Rad(si)辐照后，性能指标变化为：体积电阻率4.5×1014Ω.cm，表面电阻率6×1012Ω，介电强度19KV/mm，介电常数（1MHz,20℃）5，拉伸强度105MPa，工作温度221℃。

Claims (3)

1.一种航天用低电阻率聚酰亚胺复合材料的制备方法，其特征在于，4,4’-二氨基二苯醚和二苯醚四甲酸二酐按等摩尔比例，在溶剂二甲基乙酰胺和沉淀剂甲苯或二甲苯混合试剂中于室温下进行聚合1-2小时，过滤出沉淀，得到聚酰亚胺粉料，接着于200℃-240℃热处理2-3小时使之亚胺化，获得聚酰亚胺粉料；50-70重量份聚酰亚胺粉料，23-37重量份晶须和6-24重量份玻璃纤维粉在混合器中均匀混合获得低电阻率聚酰亚胺复合材料粉料；把该模塑粉盛入模压模具中，在360℃-400℃和60-80MPa条件下模压成所需的制件；该制件具有体积电阻率1×1012-1×1015Ω.cm、表面电阻率1×1012-1×1015Ω，介电强度≥15KV/mm、拉伸强度≥70MPa、耐60（60Co）γ-射线剂量5×107rad(si)，可在200℃F长期使用。
2.根据权利要求1所述的一种航天用低电阻率聚酰亚胺复合材料的制备方法，其特征在于，所述的增强剂晶须是从氧化锌、氧化铝和钛酸钾组成的群体中任选一种或两种以上的混合物，它们的晶须长度分为10～20μm,直径0.2～0.5μm。
3.根据权利要求1所述的一种航天用低电阻率聚酰亚胺复合材料的制备方法，其特征在于，所述的玻璃纤维粉为S型玻璃纤维粉。
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