活性碳纳米管对纤维复合材料界面及力学性能影响

论文摘要

碳纳米管(CNTs)是一种准一维的新型碳材料,其独特的结构使其具有优异的力学、热学及电学性能,被认为是一种理想的复合材料增强体。然而由于碳纳米管易于发生团聚及与树脂基体相容性较差,碳纳米管在改善树脂基复合材料性能方面效果并不理想。对商业化碳纳米管进行表面处理,促进其在树脂基体中的均匀分散及改善与基体的界面结合是发挥碳纳米优异性能的关键。本文通过对商业化的多壁碳纳米管(MWNTs)表面进行氨基化处理,然后与活性环氧稀释剂进行预反应,制备出了一种具有反应活性的碳纳米管。将活性碳纳米管分散到环氧树脂中,通过湿法缠绕工艺制备出T1000碳纤维/环氧树脂和聚苯并双嗯唑纤维(PBO纤维)/环氧树脂多尺度复合材料。实验结果表明,活性碳纳米管的加入能够显著降低树脂的表面能,提高浸润性,而对树脂粘度影响不大。加入1wt%活性碳纳米管后,T1000碳纤维复合材料NOL环的拉伸强度和层间剪切强度分别提高了14.7%和27.8%,树脂与纤维的界面粘结得到明显改善；复合材料玻璃化转变温度由185.9℃提高到201.5℃。对于PBO纤维/环氧树脂复合材料,加入0.5 wt%的活性碳纳米管能够显著降低树脂的表面能和树脂与纤维之间的接触角,并对树脂粘度影响不大。同时复合材料NOL环的拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率和层间剪切强度分别提高了11.0%、1.9%、16.5%和61.1%。微观结构分析表明树脂与纤维的界面粘结得到明显改善,复合材料玻璃化转变温度由128.2℃提高到133.5℃。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 碳纤维及其复合材料
• 1.1.1 概述
• 1.1.2 碳纤维的分类
• 1.1.3 碳纤维复合材料的应用
• 1.2 PBO纤维及复合材料
• 1.2.1 PBO纤维的表面处理
• 1.2.2 PBO纤维及复合材料的应用
• 1.3 碳纳米管
• 1.3.1 碳纳米管的结构特点
• 1.3.2 碳纳米管的性能
• 1.3.3 碳纳米管的改性
• 1.4 复合材料的界面
• 1.4.1 树脂基复合材料的界面形成机理
• 1.4.2 树脂基复合材料界面的作用
• 1.5 本课题的研究目的和主要内容
• 1.5.1 选题的背景、目的和意义
• 1.5.2 本论文主要研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验仪器及设备
• 2.3 碳纳米管的表面处理
• 2.3.1. 碳纳米管的氨基化处理
• 2.3.2. 活性碳纳米管的制备
• 2.3.3 复合材料的制备
• 2.4 测试与分析
• 2.4.1 红外光谱分析
• 2.4.2 透射电子显微镜分析
• 2.4.3 扫描电子显微镜分析
• 2.4.4 X射线光电子能谱仪（XPS）分析
• 2.4.5 表面张力测定
• 2.4.6 粘度分析
• 2.4.7 力学性能测试
• 2.4.8 动态力学性能分析
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 碳纳米管的表征与分析
• 3.1.1 红外表征
• 3.1.2 透射电镜分析
• 3.1.3 扫描电镜分析
• 3.1.4 X光电子能谱仪分析
• 3.2 碳纳米管对T1000碳纤维复合材料性能的影响
• 3.2.1 碳纳米管对浸润性的影响
• 3.2.2 碳纳米管对粘度的影响
• 3.2.3 碳纳米管对T1000碳纤维复合材料力学性能的影响
• 3.2.4 碳纳米管对T1000碳纤维复合材料界面的影响
• 3.2.5 碳纳米管对T1000碳纤维复合材料热机械性能的影响
• 3.3 碳纳米管对PBO纤维复合材料性能的影响
• 3.3.1 碳纳米管对环氧树脂与PBO纤维的浸润性的影响
• 3.3.2 碳纳米管对环氧树脂与PBO纤维的粘度的影响
• 3.3.3 碳纳米管对PBO纤维复合材料力学性能的影响
• 3.3.4 碳纳米管对PBO纤维复合材料界面的影响
• 3.3.5 活性碳纳米管对复合材料动态的影响
• 第四章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者简介
• 导师简介
• 附件