三種聚酰亞胺塑料熱膨脹系數(shù)測試研究

張麗娜 閆秀芬 鄭立春 楊堅 張海峰 賀曄紅

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機集團有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

引言

聚酰亞胺是指大分子主鏈結(jié)構(gòu)中含有酰亞胺基團的一類塑料，是目前唯一實現(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，各維的長度和體積都會發(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，需要對聚酰亞胺材料的熱膨脹系數(shù)進行測試分析。結(jié)合材料在發(fā)動機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)測試對比試驗，最終確定聚酰亞胺材料熱膨脹系數(shù)試驗方法，并為確定符合發(fā)動機要求的材料參數(shù)累計數(shù)據(jù)，完善該材料熱性能數(shù)據(jù)，開發(fā)設(shè)備使用功能。

1 研究目標

1.1 試驗?zāi)康?/h3>

聚酰亞胺材料用做制造壓氣機中的耐磨襯套等零部件。在高溫條件下具有高強度、低摩擦系數(shù)、低膨脹系數(shù)、自潤滑等特點。要清楚的了解溫度變化對聚酰亞胺材料的影響，保證發(fā)動機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)，并進行細致分析。

1.2 試驗原理

連續(xù)升溫法：試樣在等速升溫下，不斷伸長，通過儀器記錄隨時間不同的伸長量和相對應(yīng)的溫度，而描繪出△l-T曲線或△l-時間與△T-時間曲線，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，測量樣品長度隨溫度或時間變化的過程。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、軟化點溫度、相變溫度，研究燒結(jié)過程，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)動機葉片及聯(lián)動環(huán)等部位，是發(fā)動機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，短時間可以經(jīng)受400-500℃的高溫。要求零件在高溫條件下具有高強度、低摩擦系數(shù)、低膨脹系數(shù)、自潤滑等特點。

2 試驗

2.1 材料及成型工藝

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

聚酰亞胺模塑粉的制備及成品的成型過程大致如下：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)一段時間后，進行脫水，析出粉體，該粉體經(jīng)過濾、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，將坯件再進行后處理，處理好的模塑件，根據(jù)實際需要進行機加工，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 德國耐馳公司生產(chǎn)。

2.3 試驗過程

（1）在做完儀器調(diào)試得到標樣基線后，放入溫度已達到并穩(wěn)定在室溫的待測試樣。進入Sample+Correction 測試模式，輸入識別號、樣品名稱及實測長度。

（2）選擇標準溫度校正文件，進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）儀器開始測量，LVDT位移傳感器上連有推桿，通過與樣品的接觸獲取樣品長度變化信號，樣品處于可控溫的爐體中，升溫過程中保持樣品測試的起始溫度及各升降溫、恒溫程序段必須完全相同，直到完成整個測試過程。在程序溫度過程中使用LVDT位移傳感器連續(xù)測量樣品長度變化。

（5）數(shù)據(jù)分析部分：打開測試文件，通過“設(shè)置”菜單將橫坐標切換為溫度坐標，將縱坐標切換為dL/Lo 坐標。對曲線進行修正后，對需要的數(shù)據(jù)進行計算，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）通過對測試圖譜的分析，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（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算中必須考察其性能的熱穩(wěn)定性問題。（2）通過對三種材料的圖譜對比可以看出，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。 前兩種材料拐點的出現(xiàn)基本上在500℃左右，另外一種拐點出現(xiàn)在528℃，均能夠滿足發(fā)動機對耐熱性的要求。

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

結(jié)語

該方法可以用于聚酰亞胺材料熱膨脹系數(shù)的測量。

三種聚酰亞胺材料都能夠滿足發(fā)動機對耐熱性的要求，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]塑料測試技術(shù)[M].化學工業(yè)出版社.

[2]塑料標準大全[M].化學工業(yè)出版社.

[3]塑料成型加工[M].上海市塑料研究所.