碳纳米管/环氧树脂复合材料研究进展

概述了碳纳米管及环氧树脂的性质,分别介绍了物理共混法和化学改性法制备碳纳米管/环氧树脂复合材料;主要涉及多壁碳纳米管/环氧树脂和单壁碳纳米管/环氧树脂复合材料的电学和力学性能以及碳纳米管与环氧树脂之间的界面相互作用,并讨论了碳纳米管在环氧树脂中的分散效果、取向作用等对此类复合材料性能的影响;最后探讨了该研究领域存在的问题及今后可能的发展方向.     

玄武岩纤维表面生长碳纳米管及其复合材料性能的研究

针对玄武岩纤维(CBF)表面光滑且惰性,在与树脂基体复合制备复合材料时二者结合能力较低的问题,采用化学镀镍在玄武岩纤维表面均匀加载镍催化剂,借助化学气相沉积(CVD)生长碳纳米管(CNTs)。用场发射扫描电镜(FESEM)、透射电镜(TEM)、拉曼光谱(Raman)等方法对生长的CNTs进行表征,并测试复合材料的界面剪切强度。结果表明化学镀镍工艺能在CBF表面均匀加载镍催化剂,有利于CVD生长CNTs。工艺最佳条件为施镀时间15min、500℃下生长10min,此条件下生长的CNTs整齐排列在CBF表面,结晶性较好且呈中空管状。采用生长了CNTs的CBF制备复合材料的界面强度提高了10%。     

碳纤维表面物理结构对复合材料界面剪切强度的影响

以3种典型碳纤维为研究对象,通过碳纤维断面形貌的扫描电镜分析,采用Photoshop对纤维截面特征进行有效提取并由Matlab编写程序,获得了碳纤维表面沟槽深度、宽度、个数等参数的统计信息,据此进一步计算了圆形度、沟槽深宽比、表面不规整度以及沟槽密集程度等物理量,建立了碳纤维表面物理沟槽结构的定量表征方法。在此基础上研究了原丝制备过程中的凝固环境对碳纤维表面物理结构的影响,并发现:当凝固浴温度由25℃升高至45℃时,碳纤维表面的沟槽深度及宽度均会逐渐减小,深宽比降低,沟槽形状逐渐趋于平缓,同时碳纤维的表面不规整度减小了约7.5%,而沟槽密集程度增加了约50%。采用上述具有不同表面物理结构特征的碳纤维作增强体制备复合材料,微滴脱粘测试结果表明:碳纤维复合材料的界面剪切强度(IFSS)随纤维表面的沟槽尺寸、沟槽深宽比及表面不规整度的增大而逐渐提高。     

碳纳米管/环氧树脂复合材料性能的研究进展

碳纳米管由于具有超高的强度、良好的韧性、导电性以及低密度等优异性能,是聚合物材料较为理想的增强填料。近年来,碳纳米管/环氧树脂复合材料的研究已成为碳纳米管应用研究的一个热点。本文介绍了碳纳米管/环氧树脂复合材料的力学性能、电性能、热性能、摩擦性能、吸波性能以及阻尼性能;并结合国内外研究现状,探讨了该复合材料存在的问题,对未来的发展方向进行了展望。     

玄武岩纤维表面硅烷偶联剂接枝率对环氧树脂复合材料界面强度及力学性能的影响

为提高玄武岩纤维(BF)增强环氧树脂(EP)复合材料的力学性能,通过接枝硅烷偶联剂KH550来提升BF与EP之间的界面强度。采用衰减全反射红外光谱、X射线光电子能谱仪、原子力显微镜、扫描电子显微镜、界面剪切强度测试和拉伸测试研究BF表面KH550的接枝率对复合材料界面粗糙度、界面强度及拉伸强度的影响。结果表明,KH550的成功接枝可以增加BF的表面粗糙度及复合材料的界面强度;随着KH550接枝率的增加,BF表面形貌呈现“光滑-粗糙-光滑-粗糙”的变化过程,复合材料的界面强度及力学性能也呈现先增大后减小的趋势。当KH550接枝率达到5%～6%时,KH550-BF表面均匀光滑,复合材料的界面强度和拉伸强度达到最大,分别为48 MPa和298 MPa。当接枝率超过6%,过量的KH550在BF表面的不均匀分布形成结构缺陷和应力集中,进而导致复合材料界面强度和力学性能的降低。     

聚合物基复合材料界面剪切强度的测试

用声发射技术确定纤维断裂的位置,从而决定纤维断裂段的长度分布。采用含有单纤维丝的聚合物基复合材枓试件,应用细观力学模型,根据纤维断裂段的长度,确定纤维和基体之间的界面剪切强度。这种方法适用于不透明的复合材料基体,有可能用来测定金属基和陶瓷基复合材料的界面剪切强度。     

高强导电碳纳米管/环氧树脂复合材料的研究进展

碳纳米管具有独特的结构,并显现出超强的力学性能和优异的导电性能,近年来成为研究的热点.介绍了高强导电碳纳米管/环氧树脂复合材料研究的最新进展,详细阐述了各类制备方法及其优缺点,归纳出目前存在的主要问题,并对今后的发展进行了展望.     

改性碳纳米管/环氧树脂复合材料的介电性能

实验采用混酸法对碳纳米管(CNTs)表面进行改性,制得羧基化碳纳米管(C-CNTs)。采用溶胶-凝胶法制得SiO₂包覆的C-CNTs (C-CNTs@SiO₂)、TiO₂包覆的C-CNTs (C-CNTs@TiO₂),采用原位聚合法制得聚苯胺包覆的C-CNTs (C-CNTs@ PANI)。以环氧树脂(EP)为基体材料,通过溶液共混法制备出C-CNTs/EP、C-CNTs@SiO₂/EP、C-CNTs@TiO₂/EP和C-CNTs@PANI/EP四种复合材料。研究结果表明:当掺杂相的质量分数均为1 wt%时,四种EP基复合材料的冲击强度相对于未改性的环氧树脂均有不同程度的提高。当掺杂相质量分数为7 wt%时,C-CNTs/EP、C-CNTs@SiO₂/EP、C-CNTs@TiO₂/EP和C-CNTs@PANI/EP四种复合材料的介电常数分别是EP的14.1、7.2、2.5、18.8倍。在实验掺杂量下,C-CNTs@SiO₂/EP和C-CNTs@TiO₂/EP的介电损耗几乎没有变化,C-CNTs@PANI/EP的介电损耗略有增加。当掺杂相质量分数为1 wt%时,C-CNTs@SiO₂/EP和C-CNTs@TiO₂/EP的击穿强度相对于EP明显提高。      

芳纶纤维／环氧树脂微复合材料的界面断裂

本文采用空气冷等离子体改性Ｋｅｖｌａｒ－４９表面。通过单丝拔出实验研究表明经过纤维表面改性改善了芳纶，纤维／氧化树脂的界面结合情况，芳纶纤维／环氧树脂微复合材料的破坏有两种类型，破坏发生在界面和纤维的内聚破坏。     

碳纳米管加入方式对碳纤维/环氧树脂复合材料层间性能的影响

针对碳纤维/环氧树脂预浸料,对比了直接在树脂中加入碳纳米管(CNTs)后制备预浸料以及将CNTs喷涂在预浸料表面2种CNTs加入方式对CNTs-碳纤维/环氧树脂复合材料层合板I型与II型层间断裂韧性及层间剪切强度的影响。通过对树脂黏度、固化反应以及玻璃化转变温度的考察,分析了CNTs含量对树脂性能的影响,考察了添加方法对CNTs长度与形态的影响。分析了2种CNTs加入方式对CNTs-碳纤维/环氧树脂层合板断裂韧性及层间剪切强度的改善效果与作用规律。结果表明:CNTs的加入使树脂的黏度提高,固化反应程度下降;2种分散方法对CNTs的长度与形态无明显影响;直接在树脂中加入CNTs对CNTs-碳纤维/环氧树脂复合材料I型与II型层间断裂韧性的提高效果低于在碳纤维/环氧树脂预浸料表面喷涂CNTs的方式,后者的CNTs利用率较高;由于CNTs团聚及对树脂固化反应的影响,CNTs含量过高会使得其对CNTs-碳纤维/环氧树脂层合板的增韧效果下降。     

水性上浆剂对碳纤维表面及碳纤维/环氧树脂复合材料界面性能的影响

以4,4'-亚甲基双(异氰酸苯酯)(MDI)为扩链剂, 将Triton X-100(TX-100)引入到双酚A二缩水甘油醚(DGEBA) 中, 设计合成水性碳纤维上浆剂(DGEBA-MDI-TX-100), 并利用合成的水性上浆剂对碳纤维表面进行改性。在此基础上, 以环氧树脂为基体, 制备碳纤维/环氧树脂复合材料, 研究了水性上浆剂改性碳纤维对碳纤维表面性能及其复合材料界面性能的影响。结果表明:与未经处理的碳纤维相比, 经过上浆剂改性后的碳纤维润湿性能得到了较大的提高, 与环氧树脂的接触角下降了 9.1%;与环氧树脂复合后制备的复合材料的界面剪切强度提高了64.7%。      

碳纳米管／环氧树脂复合材料的研究

研究了碳纳米管（CNTs）／环氧树脂复合材料的分散性能及电性能。探讨了碳纳米管的含量、管径和稀释剂的用量对环氧树脂电学性能的影响，并用透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）对其进行表征。结果表明，碳纳米管的分散和含量对环氧树脂的电性能影响很大，而加入碳纳米管能够使环氧树脂由绝缘体变为导体（电阻率〈^10mΩ·cm）。     

锌基碳纳米管复合材料的界面特性及增强机理

通过复合电沉积技术制备了锌基碳纳米管复合薄膜。其中, 碳纳米管表面的锌沉积层平滑连续, 无明显界面缺陷, 与其它金属基碳纳米管复合材料相比, 这种独特的界面形貌是值得注意的。在对材料变形区的观察中发现, 在薄膜变形的过程中, 适中的结合强度将允许碳纳米管与基体发生界面脱黏, 碳纳米管被拔出基体后桥联在裂纹中。虽然界面结合受到损伤, 但是仍然可以有效地传递应力。当裂纹继续扩展, 碳纳米管石墨片层开裂, 直至完全断裂。同时, 这些桥连在裂纹中的碳纳米管趋向于向垂直于裂纹的方向滑移, 它们在基体中移动时会对基体造成一定程度的损伤。这些过程都将消耗大量的破断能, 从而起到对基体的增强效果。锌基碳纳米管复合薄膜的平均硬度由HV178.3上升至HV493.5。      

单丝断裂双树脂法研究碳纤维/环氧树脂界面粘结性能

建立了单丝断裂双树脂体系法,利用外层树脂的韧性使包埋于内层脆性树脂中的纤维单丝断裂达到饱和,解决了断裂伸长率较低的树脂基体采用传统的单丝断裂法无法测得界面剪切强度的问题.分别采用界面剪切强度和界面断裂能作为表征参量,考察了干态及湿热条件下两种T300级和两种T800级碳纤维/环氧树脂的界面性能,并与单丝断裂单树脂体系的界面性能进行比较.结果表明:单丝断裂双树脂体系与单树脂体系在表征碳纤维/环氧树脂的界面性能上定性规律一致;双树脂体系界面断裂能和界面剪切强度均可评价界面的耐湿热性能,且二者得到的变化规律一致;湿热处理后界面粘结性能均呈下降趋势,国外碳纤维体系的界面耐湿热性能明显优于国产碳纤维体系.     

Interfacial shear strength of a glass fiber/epoxy bonding in composites modified with carbon nanotubes

In recent years, carbon nanotubes (CNTs) grown on fibers have attracted a lot of interest as an additional reinforcing component in conventional fiber-reinforced composites to improve the properties of the fiber/matrix interface. Due to harsh growth conditions, the CNT-grafted fibers often exhibit degraded tensile properties. In the current study we explore an alternative approach to deliver CNTs to the fiber surface by dispersing CNTs in the fiber sizing formulation. This route takes advantage of the developed techniques for CNT dispersion in resins and introduces no damage to the fibers. We focus on unidirectional glass fiber/epoxy macro-composites where CNTs are introduced in three ways: (1) in the fiber sizing, (2) in the matrix and (3) in the fiber sizing and matrix simultaneously. Interfacial shear strength (IFSS) is investigated using single-fiber push-out microindentation. The results of the test reveal an increase of IFSS in all three cases. The maximum gain (over 90%) is achieved in the composite where CNTs are introduced solely in the fiber sizing.     

单丝断裂双树脂法研究碳纤维/环氧树脂界面粘结性能

建立了单丝断裂双树脂体系法, 利用外层树脂的韧性使包埋于内层脆性树脂中的纤维单丝断裂达到饱和, 解决了断裂伸长率较低的树脂基体采用传统的单丝断裂法无法测得界面剪切强度的问题。分别采用界面剪切强度和界面断裂能作为表征参量, 考察了干态及湿热条件下两种T300级和两种T800级碳纤维/环氧树脂的界面性能, 并与单丝断裂单树脂体系的界面性能进行比较。结果表明: 单丝断裂双树脂体系与单树脂体系在表征碳纤维/环氧树脂的界面性能上定性规律一致; 双树脂体系界面断裂能和界面剪切强度均可评价界面的耐湿热性能, 且二者得到的变化规律一致; 湿热处理后界面粘结性能均呈下降趋势, 国外碳纤维体系的界面耐湿热性能明显优于国产碳纤维体系。     

Preparation of carbon nanotube/epoxy composite films with high tensile strength and electrical conductivity by impregnation under pressure

Based on the production of a carbon nanotube (CNT) assembly, a new technique is developed for preparing CNT/epoxy (EP) composite films with high tensile strength and electrical conductivity. CNTs are synthesized by floating catalyst spray pyrolysis. After self-assembling into a hollow cylindrical assembly, CNTs are drawn and wound on a rotating drum to form a uniform CNT film. EP resin solutions of different concentrations are used to fill into the pores within the film under different pressures and form composite films after hot-press curing. The permeability of the EP resin and thus the interfacial bonding between the CNT and the EP resin are studied by varying the concentration of the EP resin solution and the pressure used for impregnation. Under optimal preparation conditions, the composite film contains CNTs of a high content of 59 wt.%, and shows a high tensile strength of 1.4 GPa and a high electrical conductivity of 1.4x10^5 S·m^-1, 159% and 309% higher than those of the neat CNT film, respectively.     

高性能二维碳/碳复合材料的制备与性能

为获得高性能热结构复合材料,以国产T300碳纤维为原料,通过碳布预浸料交替铺层热压及液相浸渍裂解工艺方法制备了一系列二维碳/碳复合材料,并对二维碳/碳复合材料的微观结构特征、力学性能及烧蚀性能进行了测试与分析。研究结果表明:碳布规格及制备工艺对二维碳/碳复合材料力学性能有较大影响,当碳布规格选用八枚缎纹、经过碳化预处理且高温处理温度达到2 300℃时,二维碳/碳复合材料表现出较好的综合性能,拉伸强度和层间剪切强度的最大值分别高达301 MPa和12.4 MPa,达到了国际先进水平;在模拟典型服役环境考核状态下,制备的不同规格二维碳/碳复合材料的烧蚀性能基本相当,均未出现由于层间强度偏低而发生的烧蚀揭层现象,表现出较好的烧蚀均匀性和结构可靠性。