基于液体压力激波的树脂基纳米复合材料制备及性能研究

论文摘要

纳米增强材料能够很好地改善树脂基复合材料的性能。在纳米材料直接混入树脂基体过程中,由于其特殊的表面结构,它比一般的粉体材料更加难以分散,不能充分发挥纳米材料的作用和性能。本文采用了高能液体压力激波加工技术,即以基于脉冲超声波聚焦技术,采用大功率压电陶瓷激波发生器,在水介质中产生高能、高压的瞬时激波,使处于聚焦区域的材料发生变化,从而获得高性能的树脂基纳米复合材料,达到了纳米材料在树脂基体中均匀分散的目的。本文应用了自主研制的试验系统对高能液体压力激波在纳米颗粒分散和复合材料制备领域的应用进行了深入的探讨,为高分子材料加工提供了一种先进的制造技术手段,具有高效、低成本、能量可控性好、安全洁净和应用范围广等优点。本文以环氧树脂（E-44）为基体,以纳米材料SiO2作为增强剂,制备了环氧树脂基纳米复合材料,重点研究了普通超声法和高能液体压力激波法对制备纳米复合材料固化工艺、力学性能、耐热性能等性能的影响规律,并就纳米材料在基体中的分散性及机理进行了研究。在不同的工艺条件下,采用普通超声法与激波法进行对比实验,分别对制备产物的性能进行了分析和实验验证。本文主要工作和创新点如下:1、简单介绍了液体压力激波发生器系统的关键部件,并就平面圆形多阵元激波发生器的设计和声场模拟等两方面进行了讨论。采用Matlab语言编写了声场计算程序,运用声场模拟手段对液体压力激波发生器的声场特性进行了初步研究,通过基于坐标变换的方法对平面圆形多阵元声场进行计算,主要探讨了阵元的数量和排列方式对聚焦性能和声压的影响。2、通过不同升温速率下差示扫描量热法（DSC）研究了酸酐固化nmSiO2/E44纳米复合材料的非等温固化动力学,确定了树脂的固化工艺。采用Kissinger、Ozawa法和Crane公式计算了不同含量nmSiO2体系的反应活化能、反应级数的固化反应参数,并估算了理论凝胶温度和理论固化温度。3、通过普通超声法制备环氧树脂基纳米复合材料,确定了最佳超声时间、nmSiO2质量分数等工艺参数,并研究了其对复合材料力学性能、耐热性、硬度等性能的影响,对其超声化学机理进行了研究分析。4、通过液体压力激波法制备环氧树脂基纳米复合材料,与普通超声法相对比,研究了其性能的优异性。并研究了激波时间、占空比、深度等激波工艺参数,nmSiO2质量分数对复合材料力学性能、耐热性等性能的影响,对其激波化学机理进行了研究分析。5、对nmSiO2/EP复合材料的增强增韧机制进行了分析和探讨,提出了新的观点—弥散强化。6、首次在高能液体压力激波作用下探索纳米材料的分散机理和工艺规律,以及树脂基纳米材料的复合过程与声化学效应的关系,缩短了热加工时间,降低了制造成本,为树脂基纳米复合材料的制备提供一条科学可行的崭新途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 引言
• 1.1 热固性树脂基复合材料的发展概况
• 1.1.1 热固性树脂基复合材料的分类与成型工艺
• 1.1.2 热固性树脂基复合材料的性能
• 1.1.3 热固性树脂基复合材料的应用
• 1.1.4 热固性树脂基复合材料的发展方向
• 1.2 环氧树脂基复合材料及其应用
• 1.2.1 环氧树脂的定义
• 1.2.2 环氧树脂的性能及其应用特点
• 1.2.3 环氧树脂的主要应用领域
• 1.3 纳米材料与纳米复合技术
• 1.3.1 纳米材料概念
• 1.3.2 纳米复合与纳米效应
• 1.3.3 有机-无机纳米复合材料设计
• 1.3.4 纳米复合材料的研究现状
• 1.3.5 纳米复合材料制备技术与发展
• 2'>1.3.6 纳米填料SiO₂
• 1.3.7 固化剂体系
• 1.4 高能液体压力激波技术及其发展
• 1.4.1 高能液体压力激波技术
• 1.4.2 高能液体压力激波技术的发展
• 1.5 本课题的研究的内容、目标及课题来源
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 研究目标
• 1.5.3 课题来源
• 2 液体压力激波发生器的设计与声场模拟
• 2.1 液体压力激波发生器激励电源的设计
• 2.1.1 液体压力激波发生器激励电源概述
• 2.1.2 液体压力激波发生器激励电源技术指标
• 2.2 液体压力激波发生器激励的设计与相关声场模拟
• 2.2.1 平面圆形单元激波发生器的设计
• 2.2.2 平面圆形单元激波发生器表面振动速度的声场模拟
• 2.2.3 平面圆形多阵元激波发生器的设计
• 2.2.4 平面圆形多阵元激波发生器的声场计算
• 2.2.5 声压与声场聚焦性能影响因素分析
• 2.3 大振幅声波在液体中的非线性传播
• 2.4 本章小结
• 3 实验与测试分析
• 3.1 实验研究方案
• 3.2 原料及实验仪器
• 3.2.1 原料
• 3.2.2 实验仪器
• 3.3 环氧树脂基纳米复合材料的制备
• 3.4 测试表征
• 3.4.1 扫描电子显微镜SEM
• 3.4.2 热重分析TG-DTG
• 3.4.3 力学性能测试
• 3.4.4 动态力学热分析DMA
• 3.4.5 红外光谱分析IR
• 3.4.6 红差示扫描量热法DSC
• 4 树脂基纳米复合材料固化工艺的研究
• 4.1 试样制备
• 4.2 分析测定
• 4.2.1 DSC 固化动力学的原理及分析方法
• 4.2.2 DSC 固化动力学分析
• 4.2.3 固化工艺的确定
• 4.2.4 固化反应动力学
• 4.2.5 固化度
• 4.2.6 激波法固化动力学研究
• 4.3 本章小结
• 5 树脂基纳米复合材料力学性能的研究
• 5.1 普通超声制备复合材料力学性能的研究
• 5.1.1 普通超声时间对复合材料力学性能的影响
• 2 添加量对复合材料力学性能的影响'>5.1.2 nmSiO₂添加量对复合材料力学性能的影响
• 5.2 液体压力激波制备复合材料力学性能的研究
• 5.2.1 液体压力激波法制备复合材料机理研究
• 5.2.2 液体压力激波法基础试验研究
• 2/环氧树脂复合材料增强增韧机制'>5.3 nmSiO₂/环氧树脂复合材料增强增韧机制
• 5.3.1 微裂纹化增强增韧机理
• 5.3.2 裂缝与银纹相互转化增强增韧机理
• 5.3.3 临界基体层厚度增韧机理
• 5.3.4 物理交联点增强增韧机理
• 5.3.5 物理化学作用增强增韧机理
• 5.3.6 弥散强化增强增韧机理
• 5.4 本章小结
• 6 树脂基纳米复合材料耐热性能的研究
• 6.1 普通超声法制备环氧树脂基复合材料耐热性能的研究
• 6.2 液体压力激波法制备环氧树脂基复合材料耐热性能的研究
• 6.3 环氧树脂基纳米复合材料DMA 分析
• 6.4 本章小结
• 7 全文总结
• 7.1 所做工作
• 7.2 主要结论
• 7.3 本课题所做贡献
• 7.4 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文