碳納米管-熱塑性聚合物復(fù)合材料的制備及蠕變行為研究.pdf

1、近年來，無論是在實際應(yīng)用還是理論研究方面，碳納米管增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料一直是材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。熱塑性聚合物由于其易于加工成型等優(yōu)點，目前被廣泛用作碳納米管復(fù)合材料的基體。但是，由蠕變變形帶來的尺寸穩(wěn)定性差是熱塑性聚合物的固有缺陷，嚴(yán)重影響其更廣泛的工程應(yīng)用。材料的蠕變回復(fù)性質(zhì)同樣也是決定聚合物使用壽命的重要因素。因此，在不影響材料靜態(tài)力學(xué)性能等重要性能的前提下，開展碳納米管增強(qiáng)熱塑性聚合物的耐蠕變及回復(fù)性能的研究，在很多應(yīng)用領(lǐng)域是迫

2、切需求的，具有重要的理論和工程應(yīng)用價值。同時，和靜態(tài)性能相比較，復(fù)合材料的蠕變行為（包括蠕變和回復(fù)）對于其微觀結(jié)構(gòu)更加敏感，通過系統(tǒng)的蠕變和回復(fù)性能研究，可以更加深入地了解碳納米管對于復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。
　　 本文針對熱望性聚合物聚丙烯和聚苯乙烯，以增強(qiáng)其耐蠕變及回復(fù)性能為目標(biāo)，制備了多壁碳納米管復(fù)合材料。綜合考慮熱塑性聚合物在實際應(yīng)用和加工過程中蠕變行為的變化規(guī)律，討論其在不同外加荷載作用及不同力學(xué)狀態(tài)下的蠕變行為，

3、研究碳納米管和高分子鏈的相互作用機(jī)制；同時將實驗分析和理論模擬相互結(jié)合，探索納米復(fù)合材料粘彈性本構(gòu)關(guān)系。詳述如下：
　　 系統(tǒng)研究了在不同外加荷載的作用下，碳納米管對熱塑性聚合物耐蠕變和回復(fù)性能的影響規(guī)律。實驗表明，以具有良好的分散性的碳納米管復(fù)合材料為研究對象，在拉伸和剪切應(yīng)力作用下，碳納米管均能夠有效地降低材料的蠕變應(yīng)變和不可回復(fù)蠕變應(yīng)變，大幅度增加其蠕變回復(fù)率；在循環(huán)應(yīng)力荷載作用下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，碳納米管對于熱塑性聚

4、合物蠕變形變的減少和回復(fù)率的增加具有更加顯著的效果。同時，隨著溫度、應(yīng)力大小和填料含量的增加，碳納米管對于復(fù)合材料在不同受力模式下的耐蠕變及回復(fù)行為的增強(qiáng)效應(yīng)均會產(chǎn)生大幅度提高。
　　 文中對于碳納米管/熱塑性聚合物材料在不同力學(xué)狀態(tài)下的蠕變行為進(jìn)行了研究。在玻璃化區(qū)，碳納米管對于聚合物基體耐蠕變性能的增強(qiáng)效果并不明顯；在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)，碳納米管可以有效地減少材料的蠕變應(yīng)變，其能夠延緩材料從玻璃態(tài)進(jìn)入到橡膠態(tài)的進(jìn)程；在橡膠態(tài)區(qū)，碳

5、納米管可以延長材料的蠕變破壞壽命；在熔融態(tài)區(qū)，碳納米管除了可以大幅減小聚合物的蠕變變形，增加其回復(fù)率，還可以顯著降低熔融態(tài)聚合物蠕變變形對于溫度條件的依賴性。碳納米管在不同力學(xué)狀態(tài)下對聚合物蠕變行為的影響，可用于指導(dǎo)耐蠕變納米復(fù)合材料的設(shè)計。
　　 基于蠕變測試結(jié)果，本文對碳納米管和高分子鏈的相互作用機(jī)制進(jìn)行了深入研究。由剪切蠕變測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，高分子鏈活動性與碳納米管-高分子鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，從而影響復(fù)合材料的耐蠕變及回復(fù)

6、性能。研究表明，碳納米管復(fù)合材料的導(dǎo)電性能、流變性能及蠕變回復(fù)性能均存在著相同的滲流閾值區(qū)間，于此區(qū)間內(nèi)，材料的各項性質(zhì)在碳納米管-高分子鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作用下會發(fā)生突變。同時，實驗結(jié)果顯示碳納米管-高分子鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對于循環(huán)荷載下復(fù)合材料的蠕變，回復(fù)行為的增強(qiáng)效應(yīng)也起到重要影響。
　　 進(jìn)一步采用多種粘彈性模型探究納米復(fù)合材料粘彈性的本構(gòu)關(guān)系。使用賓漢模型、Findley模型和威布爾分布方程等，對材料的蠕變行為進(jìn)行數(shù)值模擬和相關(guān)參數(shù)的