纳米填料改性环氧树脂低温力学性能研究

论文摘要

随着航天,应用超导技术和大型低温工程（ITER）等高科技的迅猛发展,环氧树脂在低温下的应用愈来愈广泛,如可作为浸渍料,胶黏剂和先进复合材料的基体。但纯环氧树脂固化体系在常温下存在抗裂性差,在低温下更脆,因此很难满足在低温下这一极端温度的要求,应用受到很大的限制。本论文分别选择了纳米橡胶（VP-501）颗粒,多壁碳纳米管（MWCNTs）/正丁基缩水甘油醚（BGE）和MWCNTs/聚醚砜（PES）,然后加入固化剂二乙基甲苯二胺（DETD）固化,来改性双酚F（DGEBF）型环氧树脂以提高体系的低温力学性能尤其是在低温下的韧性性能。研究了改性剂的含量、种类和微观结构对环氧体系在室温（RT）和低温（77 K）下的拉伸性能和断裂韧性性能的影响,并探讨了各种改性剂对体系低温下的增韧机理。另外,由于实际应用中对环氧树脂耐热性也有一定的要求,因此本论文也研究了各种改性剂对环氧树脂体系玻璃化转变温度的影响。最后,根据碳纳米管剩余长度对聚合物基复合材料力学性能的影响非常大,本论文基于修正混合准则的简化和近似方法,估算了MWCNTs强度和它与聚合物间的界面强度。研究结果表明:在DGEBF/DETD体系中加入5 phr的VP-501能够有效地增强体系在RT和77 K下的力学性能。随着VP-501含量的增加,体系在RT和77 K下的断裂韧性增加了,然而其拉伸模量降低了。在DGEBF/BGE/DETD体系中通过超声波分散技术引入0.5 phr的MWCNTs后,体系在77 K下的拉伸强度、Young’s模量、失效应变和冲击强度都提高了。在DGEBF/PES/DETD体系中通过三辊研磨机高速剪切的分散方法引入0.5 phr的MWCNTs后,体系在77 K的拉伸强度、Young’s模量、失效应变和断裂韧性均提高了。对所有的同种体系而言,改性体系在77 K下的拉伸强度和Young’s模量均高于在RT下的拉伸强度和Young’s模量,然而其失效应变和断裂韧性则出现相反的结果。差示扫描量热仪结果表明VP-501引入固化体系后,体系的玻璃化转变温度相对纯环氧树脂的玻璃化转变温度没有明显地降低,而MWCNTs引入固化体系后,体系的玻璃化转变温度相对纯环氧树脂的玻璃化转变温度均提高了。本论文针对环氧树脂的低温改性研究为实现环氧树脂在低温环境中的应用提供了重要的理论研究资料。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 纳米橡胶
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 纳米橡胶的牌号
• 1.1.3 纳米橡胶的制备方法
• 1.1.4 纳米橡胶在热塑性塑料中的应用
• 1.1.5 纳米橡胶在热固性树脂中的应用
• 1.1.6 纳米橡胶在热塑性弹性体中的应用
• 1.2 碳纳米管
• 1.2.1 碳纳米管的发展概况
• 1.2.2 碳纳米管的分类
• 1.2.3 碳纳米管的制备方法
• 1.2.3.1 石墨电弧法
• 1.2.3.2 激光蒸发法
• 1.2.3.3 催化裂解法
• 1.2.3.4 化学气相沉积法
• 1.2.3.5 模板法
• 1.2.3.6 水热法
• 1.2.3.7 凝聚相电解生成法
• 1.2.4 碳纳米管的性能
• 1.2.4.1 碳纳米管的力学性能
• 1.2.4.2 碳纳米管的电学性质
• 1.2.4.3 传热性能
• 1.2.5 碳纳米管的应用
• 1.3 环氧树脂的定义及发展概况
• 1.3.1 环氧树脂的定义及发展简史
• 1.3.2 环氧树脂的发展概况
• 1.3.2.1 国外发展状况
• 1.3.2.2 国内发展状况
• 1.3.3 环氧树脂的特点及应用领域
• 1.4 纳米复合材料
• 1.4.1 纳米复合材料的定义
• 1.4.2 聚合物基纳米复合材料
• 1.4.3 环氧树脂基纳米复合材料
• 1.4.4 碳纳米管/环氧树脂基复合材料
• 1.5 低温环氧树脂基纳米复合材料的应用特点
• 1.6 论文选题的目的、意义
• 1.7 本课题基体材料的设计及研究内容
• 1.7.1 基体材料的设计
• 1.7.1.1 基体树脂的选择
• 1.7.1.2 固化剂的选择
• 1.7.1.3 纳米填料的选择
• 1.7.2 本论文的研究内容
• 参考文献
• 第二章 纳米橡胶/环氧复合材料的制备及性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原材料
• 2.2.2 样品的制备
• 2.2.3 性能测试
• 2.2.3.1 力学性能测试
• 2.2.3.2 热学性能测试
• 2.2.3.3 正电子淹没测试
• 2.2.3.4 微观形貌观察
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 拉伸性能
• 2.3.2 断裂韧性
• 2.3.3 玻璃化转变温度
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 超声法制备碳纳米管/环氧树脂基复合材料及性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原材料
• 3.2.2 试样的制备
• 3.2.3 性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 拉伸性能
• 3.3.2 冲击性能
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 三辊法制备碳纳米管/环氧树脂基复合材料及性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 三辊研磨机剪切混合机理
• 4.2.3 试样的制备
• 4.2.4 性能测试
• 4.2.4.1 力学性能测试
• 4.2.4.2 热学性能测试
• 4.2.4.3 正电子淹没测试
• 4.2.4.4 微观形貌观察
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 MWCNTs/DGEBF/PES 的相容性和固化前后体系微观结构的变化
• 4.3.2 玻璃化温度
• 4.3.3 拉伸性能
• 4.3.4 拉伸断面形貌
• 4.3.5 断裂韧性
• 4.3.6 断裂韧性断面形貌
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 碳纳米管长度分布对环氧基复合材料力学性能的影响及其理论分析
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验原料
• 5.2.2 试样制备
• 5.2.3 性能测试
• 5.2.4 正电子淹没测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 多壁碳纳米管的分散性
• 5.3.2 多壁碳纳米管的剩余长度
• 5.3.3 多壁碳纳米管的拔出长度
• 5.3.4 多壁碳纳米管的强度和界面剪切强度
• 5.4 力学性能
• 5.4.1 拉伸力学性能
• 5.4.2 拉伸断口形貌
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结
• 6.1 结论
• 6.2 创新性成果及意义
• 6.3 后续研究工作的建议
• 攻读博士学位期间发表的论文、专利
• 致谢