多壁碳納米管-碳纖維增強(qiáng)體及其樹脂基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能.pdf

1、碳納米管(Carbon nanotubes，CNTs)由于其本身優(yōu)異的物理力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能一直被認(rèn)為是復(fù)合材料理想的增強(qiáng)材料。近年來，CNTs增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的研究已成為CNTs應(yīng)用研究的一個(gè)新熱點(diǎn)。本文在CNTs及碳纖維表面改性處理的基礎(chǔ)上，在傳統(tǒng)的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料中引入CNTs，制備了CNTs/碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。并對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。
　　首先，針對(duì)現(xiàn)有的強(qiáng)酸氧化處理過程對(duì)CNTs損傷較大的

2、問題，研究了CNTs的羧基化處理工藝，即利用傅克?；▽?，3，5-苯三甲酸接枝到MWCNTs表面。研究了混酸體系對(duì)MWCNTs處理效果的影響，并對(duì)酰化反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，采用傅克?；▽?duì)MWCNTs表面進(jìn)行改性處理，實(shí)現(xiàn)了MWCNTs表面化學(xué)改性的同時(shí)保持了MWCNTs結(jié)構(gòu)的完整性。反應(yīng)體系中多聚磷酸/五氧化二磷/磷酸(PPA/P2O5/PA)質(zhì)量比為20/5/1～20/5/2時(shí)，MWCNTs微觀結(jié)構(gòu)特性達(dá)到最優(yōu)。傅克?；?/p>

3、應(yīng)主要使MWCNTs缺陷位的sp2C-H基團(tuán)發(fā)生質(zhì)子化，與PPA/P2O5/PA體系中苯三甲酸的(C=O+)基團(tuán)發(fā)生親電反應(yīng)。反應(yīng)后MWCNTs表面無定形碳原子數(shù)量減少，熱穩(wěn)定性提高。同時(shí)，羧基化處理提高了MWCNTs在有機(jī)溶劑中的分散性和與聚合物的相容性。改性后MWCNTs表面的功能基團(tuán)可以與環(huán)氧樹脂中的環(huán)氧基團(tuán)之間發(fā)生開環(huán)聚合反應(yīng)，從而提高了MWCNTs增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能。
　　其次，采用氨水/硝酸復(fù)合處理方法對(duì)碳

4、纖維表面進(jìn)行改性處理，并與單一氨水刻蝕處理和硝酸氧化處理相比較。結(jié)果表明:氨水刻蝕處理后碳纖維表面粗糙度增大，但是元素含量和化學(xué)組分并未發(fā)生變化;硝酸氧化處理后碳纖維表面粗糙度增大，含氧官能團(tuán)數(shù)量增加;氨水刻蝕/硝酸氧化復(fù)合處理后，碳纖維獲得表面含氧官能團(tuán)活性表面的同時(shí)，表面粗糙度達(dá)到最大。表面處理改善了碳纖維與蒸餾水的浸潤性，浸潤接觸角增大。氨水刻蝕/硝酸氧化復(fù)合處理后碳纖維與蒸餾水的浸潤性最好。與碳纖維原絲相比，處理后碳纖維單絲拉伸

5、強(qiáng)度略有降低，氨水刻蝕/硝酸氧化復(fù)合處理后碳纖維單絲拉伸強(qiáng)度降低了約5％，然而，界面剪切強(qiáng)度提高了46％。
　　再次，利用MWCNTs的納米級(jí)尺寸帶來的大比表面積和長徑比的特點(diǎn)，制備了含MWCNTs上漿劑，采用上漿劑涂覆方法將其引入碳纖維表面，制備了MWCNTs/碳纖維增強(qiáng)體。改性處理提高了MWCNTs在上漿劑中的分散性，直接影響纖維表面MWCNTs分布的均勻性;采用短臂梁剪切測試方法研究了含MWCNTs上漿劑對(duì)碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)

6、合材料層間剪切強(qiáng)度(ILSS)的影響。結(jié)果表明，與未浸漬的碳纖維相比，含MWCNTs上漿劑浸漬后碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料ILSS提高了34％。通過上漿劑紅外光譜表征、纖維束表面浸潤性測試及ILSS試樣斷口形貌的觀察，分析了層間增韌機(jī)理。研究表明，碳纖維束表面浸潤性的提高以及碳纖維/環(huán)氧樹脂界面處化學(xué)鍵合作用增強(qiáng)，是ILSS提高的主要原因。
　　最后，采用MWCNTs/碳纖維增強(qiáng)體為增強(qiáng)材料，MWCNTs改性環(huán)氧樹脂為基體樹脂，制備

7、了MWCNTs/碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，并對(duì)其物理力學(xué)性能進(jìn)行測試和分析。研究表明:與碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相比，MWCNTs/碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度降低了17％，模量略有降低;ILSS提高了37％;壓縮強(qiáng)度和壓縮模量分別提高了14％和21％;耐沖擊性能略有增強(qiáng);不同沖擊能量下的沖后壓縮模量提高了25～42％，沖后壓縮強(qiáng)度提高了9～18％。除了拉伸性能，引入MWCNTs的增強(qiáng)體系帶來了復(fù)合材料整體性能的改善，MWC