幾種含碳納米管復(fù)合體系的制備、表征及相關(guān)應(yīng)用研究.pdf

1、隨著對原子級制造工藝越來越多的認識，納米技術(shù)成為21世紀各個領(lǐng)域都十分關(guān)心的重點技術(shù)，碳納米管(CNTs)以其優(yōu)異的性能倍受科學(xué)界的關(guān)注，被認為具有廣泛的應(yīng)用前景。碳納米管作為一種新型的材料，顯示出了現(xiàn)有傳統(tǒng)纖維無法比擬的優(yōu)異特性，有望成為先進復(fù)合材料的理想增強體。尤其是在聚合物基和無機非金屬基復(fù)合材料方面，含CNTs復(fù)合材料的研究已取得了不少研究成果，在改善基體性能方面取得了明顯效果。
　　 為了對CNTs與聚合物、金屬粉末的

2、復(fù)合行為及體系性能進行更深入的研究，本論文對CNTs進行表面改性，并將其與環(huán)氧樹脂和金屬銀進行復(fù)合，以改進環(huán)氧樹脂材料的力學(xué)性能、電學(xué)性能;將CNTs與微/納米鐵粉復(fù)合，并對體系的流變特性進行系統(tǒng)評價，以研究其對金屬粉末注射成型的影響，以解決注射成型工藝中存在的一些關(guān)鍵問題。
　　 主要研究結(jié)果如下:
　　 1.采用超聲波分散及真空澆鑄成型法制備的碳納米管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料能明顯提高環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能和電性能。碳納米管的

3、添加量在1.7wt％以下時能有效提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。當碳納米管的添加量為0.75wt％時，復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最佳，其拉伸強度、拉伸模量、斷裂伸長率較環(huán)氧樹脂基體分別提高了18.2％，16.1％和85.5％。進一步分析表明:斷裂時能量主要分三部分吸收，分別是碳納米管的拔出功，碳納米管的斷裂功以及碳納米管與基體的脫粘功。其中碳納米管拔出時吸收能量最多，為5kJ/m2，斷裂功為1.1 kJ/m2，碳納米管與基體的脫粘功為0.15kJ/

4、m2。顯微結(jié)構(gòu)分析表明:隨著碳納米管的加入，復(fù)合材料的斷面形貌從光滑變得粗糙，裂紋擴展受阻，表明碳納米管對復(fù)合材料的增強效果顯著。碳納米管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的電阻大幅度下降，體系的導(dǎo)電性增強，體系的兩個滲流閾值分別出現(xiàn)在碳納米管含量約為0.3wt％時和1.1wt％時。
　　 2.添加改善碳納米管分散性的添加劑十二烷基苯磺酸鈉(SDB)有助于提高碳納米管的分散性，從而進一步提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。加入2.25wt％的SDB時，復(fù)合

5、材料的拉伸強度、拉伸模量、斷裂伸長率分別提高21.4％、26.0％、40.7％。體系的兩個滲流閾值出現(xiàn)在SDB的含量為0.4wt％和2.25wt％時。顯微結(jié)構(gòu)分析表明添加劑處理后的碳納米管在復(fù)合材料中的分散程度增加，裂紋更加不平，斷面出現(xiàn)類似韌窩狀特征，因此，復(fù)合材料的強度更高。
　　 3.分別用機械球磨法和化學(xué)鍍的方法制備了兩種銀/碳納米復(fù)合管。當球磨法制備的復(fù)合管加入量為25wt％時，復(fù)合材料的拉伸強度、拉伸模量、斷裂伸長率

6、分別比未加銀粉時增加19.6％、16.6％、15.3％;復(fù)合材料的兩個滲流閾值分別出現(xiàn)在復(fù)合管含量為15wt％和31wt％處?；瘜W(xué)鍍法制備的復(fù)合管加入量為20wt％時，復(fù)合材料的拉伸強度、拉伸模量、斷裂伸長率分別比未加碳納米管時增加34.1％、33.3％、19.3％;該復(fù)合材料的兩個滲流閾值分別出現(xiàn)在復(fù)合管含量為11wt％和25wt％時。相對于機械球磨法制備的復(fù)合管和純碳納米管增強相，用化學(xué)鍍法制備的銀/碳納米復(fù)合管能更大幅度提高環(huán)氧樹

7、脂的力學(xué)和電性能的作用。
　　 4.用機械合金化方法制備了微米鐵粉/碳納米管復(fù)合粉體，將傳統(tǒng)粘結(jié)劑體系進行優(yōu)化后，將該復(fù)合粉體與優(yōu)化后的經(jīng)典粘接劑混合，制備了微米鐵粉注射成型喂料。研究發(fā)現(xiàn)，微米鐵粉/碳納米管復(fù)合粉體可以改善鐵粉在粘結(jié)劑中的分散效果，0.2wt％的碳納米管與微米鐵粉復(fù)合后制備的喂料裝載量可達54vol％，粘流活化能E=16.5kJ/mol，應(yīng)變敏感因子n=0.39。紅外光譜研究表明，碳納米管加入可以誘導(dǎo)C=O雙鍵

8、的打開，強化鐵粉與粘結(jié)劑連接，這種結(jié)構(gòu)有助于鐵粉顆粒在粘結(jié)劑中的分散，避免鐵粉的團聚。
　　 5.用超聲分散結(jié)合機械合金化的方法制得了納米鐵粉/碳納米復(fù)合粉末。將納米鐵粉與碳納米管以20∶1的比例制備的復(fù)合粉末加入傳統(tǒng)的微米級粉末注射成型喂料中，裝載量可提高至58vol％，改進后的喂料粘流活化能以及應(yīng)變敏感性因子最小，分別是14.79kJ/mol和0.2，對溫度以及剪切速率變化敏感，微觀結(jié)構(gòu)分散均勻，缺陷較少。研究表明復(fù)合粉末可

9、以在苯環(huán)其它C原子位置上取代功能團，從而與其他粘結(jié)劑分子形成比較緊密的鍵合作用，有助于提高喂料生坯穩(wěn)定性，減少產(chǎn)品的變形。另外，復(fù)合粉末的加入使得鐵粉與粘結(jié)劑的連接加強，這種結(jié)構(gòu)有助于防止注射成形過程中由于剪切速率過高而導(dǎo)致鐵粉與粘結(jié)劑產(chǎn)生分離，從而減少鐵粉的團聚以及由此引發(fā)的各種缺陷。
　　 6.首次制備了全納米鐵粉喂料，研究發(fā)現(xiàn)，隨溫度升高或者剪切速率增大，全納米喂料的粘度均降低。但由于高比表面積的關(guān)系，相同溫度或剪切速率下

10、，其粘度比微米粉末制備的喂料粘度高。顯微結(jié)構(gòu)分析表明0.2wt％的碳納米管可以在納米鐵粉之間維持一定的分散距離以防止團聚，增加粉末之間的流動性，降低應(yīng)變敏感因子。當裝載量為35vol％時，粘流活化能及應(yīng)變敏感因子分別是15.87kJ/mol和0.2，微觀結(jié)構(gòu)均勻，缺陷較少。對納米鐵粉喂料顆粒間的相互作用能的計算結(jié)果表明，對于球形Fe粉，隨著顆粒尺寸的減少，吸引勢能和排斥勢能逐漸靠近。當顆粒直徑為40nm，裝載量在33vol％左右時，體系