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《碳納米管及碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料研究進展.pdf》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、第2期高分子通報#9#碳納米管及碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料研究進展邱軍,陳典兵(同濟大學材料科學與工程學院,先進土木工程材料教育部重點實驗室,上海201804)摘要:碳納米管與碳纖維具有優(yōu)異的力學、電學等性能,廣泛用做復合材料增強體,但目前碳納米管/碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的研究具有一定的局限性,只考慮了兩相材料間的作用,即僅對單一相進行處理而忽略了另一相的改性。本文從碳納米管/碳纖維協(xié)同增強環(huán)氧樹脂基體復合材料的思路入手,結合自己的研究成果,綜述了國內(nèi)外相關研究進展。從研究結果可以看出,將三相材料之間完全有效地聯(lián)系起來,發(fā)揮三者間的協(xié)同效
2、應,復合材料的性能可以發(fā)生質(zhì)的飛躍。關鍵詞:碳納米管;碳纖維;環(huán)氧樹脂;三相復合材料引言[1]日本科學家Iijima在1991年首次發(fā)現(xiàn)碳納米管(CNTs)。碳納米管具有著優(yōu)異的力學、電性能和熱性能,抗拉強度達到200GPa,彈性模量可達1TPa,并且具有低密度、高長徑比等結構特點,因此成為聚合物復合材料的理想增強材料。碳纖維(CF)具有十分優(yōu)異的力學性能,同時耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、低熱膨脹系數(shù)、導電導性、電磁屏蔽性優(yōu)良等。碳纖維復合材料同樣具有其它復合材料無法比擬的[2]優(yōu)良性能,廣泛應用于航空航天、汽車、電子電氣等領域。環(huán)氧樹
3、脂(EP)是一種高性能復合材料基體,具有優(yōu)良的機械性能、絕緣性能、耐腐蝕性能、黏接性能和低收縮性能。當前以環(huán)氧樹脂為基體的高性能復合材料應用廣泛,碳納米管/環(huán)氧樹脂復合材料和碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料凸顯了優(yōu)異的力學和綜合性能,那么如何再進一步提高這兩類復合材料的性能呢?本文在簡要綜述碳納米管和碳纖維對環(huán)氧樹脂復合材料性能改善的前提下,進一步綜述了碳納米管/碳纖維/環(huán)氧樹脂三相復合材料的研究進展,并對其可能的發(fā)展進行了預測。1碳納米管增強環(huán)氧樹脂復合材料的研究碳納米管在理論上是復合材料理想的增強材料,其超強的力學性能和熱穩(wěn)定性可極大地改善聚合
4、物基復合材料的強度和韌性。近年來,碳納米管/聚合物復合材料的研究已成為碳納米管應用研究的一個新熱點。從CNTs對環(huán)氧樹脂復合材料強度方面的影響來看,CNTs高長徑比導致容易團聚成束而在復合材料中分散不均勻,并且其管壁之間只有范德華力作用,相鄰管壁之間很容易產(chǎn)生滑移而影響載荷傳遞性。通過表面功能化使CNTs與聚合物基體之間形成化學鍵,可以有效地改進CNTs與聚合物基體間的界面[5]粘結與應力傳遞,從而改善復合材料的力學性能。Zhu等研究了單壁碳納米管(SWNTs)表面接枝有機化合物正己胺對EP基復合材料性能的影響,研究表明,當CNTs質(zhì)量分數(shù)
5、為4%時,材料的拉伸彈性模量從純EP的2102GPa提高到3140GPa,拉伸強度也從原來的83123MPa提高到102153MPa。Zhu[5]等通過先酸化后氟化的方法對SWNTs進行處理,結果表明,處理后的SWNTs可以極好地分散于環(huán)氧樹脂中,并可以與環(huán)氧樹脂反應,基體的機械性能提高30%,拉伸性能提高18%。收稿:2011-04-25;修回:2011-07-18;基金項目:國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2009AA03Z528);作者簡介:邱軍,男,工學博士,教授,博士研究生導師,研究方向為高性能聚合物基復合材料;E-ma
6、il:qiujun@#edu.cn.#10#高分子通報2012年2月[15]Lau等研究發(fā)現(xiàn)隨著碳納米管含量的增加,碳納米管/環(huán)氧樹脂復合材料的拉伸強度會提高。這主要是由于高比表面積的碳納米管在基體中形成網(wǎng)狀結構。但這種網(wǎng)狀結構并不能提高復合材料的彎曲強度,彎曲強度主要取決于碳納米管和基體間的界面結合力。另外,使用不同溶劑分散碳納米管也會[4]對復合材料的硬度產(chǎn)生影響。Li等研究了EP/雙壁碳納米管(DWNTs)復合材料的拉伸性能,發(fā)現(xiàn)其拉伸強度與拉伸彈性模量分別比純EP提高25%和75%。當CNTs均勻分散在EP基復合材料中時
7、,發(fā)現(xiàn)其拉伸強度與拉伸彈性模量可分別高達115GPa和218GPa。拉曼光譜表明應力能夠有效地從基體[14]傳遞到CNTs,這說明EP/CNTs有很好的粘結界面,從而改善了復合材料的力學性能。Chen等將硝酸酸化接枝EP的CNTs與EP復合制備了納米復合材料,研究發(fā)現(xiàn)納米復合材料的彈性模量沒有降低,[7]而彎曲強度比純EP明顯提高。Schadler等對碳納米管/環(huán)氧樹脂復合材料的抗拉和抗壓性能進行了研究。測試顯示,復合材料的壓縮彈性模量高于拉伸彈性模量,并發(fā)現(xiàn)在拉伸作用時只有碳納米管的外[18]層表面?zhèn)鬟f載荷,而壓縮時碳納米管內(nèi)外各層都起作
8、用。Allaoui等研究了多壁碳納米管(MWNTs)/環(huán)氧樹脂復合材料的力學和電學性能,發(fā)現(xiàn)加入lwt%的碳納米管可以使復合材料的楊氏模量和屈服強[16]度提高一倍,4wt%的碳
