二氧化硅納米粒子-碳納米管雜化納米增強(qiáng)體的制備及其對(duì)CFRP增強(qiáng)效應(yīng)的研究.pdf

1、碳纖維樹脂基復(fù)合材料因具有輕質(zhì)高強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航天航空、體育器械等軍事與民用領(lǐng)域。碳納米管因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)具有極大的韌性、超高的強(qiáng)度等優(yōu)異性能，是復(fù)合材料最理想的增強(qiáng)材料，能明顯改善纖維復(fù)合材料的界面性能及整體力學(xué)性能。然而，碳納米管分散性和界面結(jié)合差等缺點(diǎn)極大地限制其應(yīng)用范圍，且碳納米管的增強(qiáng)機(jī)制也有待深入研究。本文采用多步化學(xué)接枝方法成功制備了由零維二氧化硅納米粒子/一維碳納米管組成的雜化納米增強(qiáng)體(SiO2-MWCNTs)，系

2、統(tǒng)研究了納米增強(qiáng)體的分散性和界面結(jié)合及其對(duì)碳纖維復(fù)合材料的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)，同時(shí)結(jié)合理論計(jì)算揭示了納米增強(qiáng)體對(duì)碳纖維復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制，為碳纖維復(fù)合材料的實(shí)際工程應(yīng)用提供了重要的理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　 基于多步化學(xué)接枝方法依次對(duì)多壁碳納米管進(jìn)行混酸氧化、硅烷偶聯(lián)劑硅烷化、二氧化硅納米粒子負(fù)載等表面化學(xué)修飾。采用紅外光譜(FTIR)、熱失重(TGA)、光電子能譜(xPS)、掃描電鏡(SEM)以及透射電鏡(TEM)等手段對(duì)化學(xué)修飾后

3、的碳納米管進(jìn)行表征，結(jié)果表明成功制備了羧基化碳納米管(c-MWCNTs)、環(huán)氧基化碳納米管(MWCNTs-C2H3O)、氨基化碳納米管(MWCNTs-NH2)以及二氧化硅納米粒子/碳納米管雜化納米增強(qiáng)體(SiO2-MWCNTs)。
　　 系統(tǒng)研究了化學(xué)修飾碳納米管的分散性和界面結(jié)合性能及其對(duì)環(huán)氧樹脂基體和碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律。力學(xué)測(cè)試表明在加入功能化的MWCNTs-C2H3O、MWCNTs-NH2后，環(huán)氧樹脂澆注體的

4、拉伸和彎曲強(qiáng)度均有提高。含有MWCNTs、MWCNTs-C2H3O、MWCNTs-NH2和SiO2-MWCNTs的環(huán)氧樹脂的拉伸模量分別提高了7.7％、8.0％、8.6％和21.0％，彎曲模量分別提高了1.7％、3.5％、3.7％和11.8％。官能化碳納米管增強(qiáng)的CF/EP單向復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度分別增加了3.7％、14.1％、19.5％和27.7％，彎曲模量分別增加了18.5％、21.4％、30.8％和33.3％。CF/EP單向復(fù)合材料

5、的層間剪切強(qiáng)度則分別增加了7.5％、9.3％、9.9％和15.3％。同時(shí)CF/EP纏繞復(fù)合材料筒體的壓縮模量分別提高了38.3％、46.2％、56.0％和60.3％。結(jié)合復(fù)合材料微觀形貌觀察分析表明，由于增強(qiáng)體SiO2-MWCNTs在樹脂基體及碳纖維復(fù)合材料中分散均勻且界面結(jié)合優(yōu)異，二氧化硅納米粒子增大了碳納米管的增強(qiáng)界面，使雜化納米增強(qiáng)體具有明顯的橋聯(lián)作用，提高了樹脂和纖維間的界面結(jié)合力，使應(yīng)力更好的傳遞給增強(qiáng)纖維。
　　 基

6、于雜化納米增強(qiáng)體的幾何形狀特征，修正了傳統(tǒng)的混合定律與Halpin-Tsai方程，建立了基于代表性體積單元(RVE)模型的有限元方法(FEM)，系統(tǒng)研究了雜化納米增強(qiáng)體對(duì)碳纖維復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制。研究表明，修正的Halpin-Tsai方程相比于修正的混合定律能較好的預(yù)測(cè)規(guī)則納米增強(qiáng)體的增強(qiáng)效應(yīng)。有限元方法預(yù)測(cè)的力學(xué)性能結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值最為接近，誤差約為3.6％在，表明基于RVE模型的有限元方法能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)非規(guī)則幾何形狀納米增強(qiáng)體的增強(qiáng)效應(yīng)，對(duì)