碳纳米管对环氧树脂力学性能的影响
碳纳米管-连续碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能研究
碳纳米管/连续碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能研究赵东林乔仁海沈曾民（北京化工大学可控化学反应科学与技术基础教育部重点实验室，碳纤维及复合材料研究所北京 100029）摘要：用竖式炉流动法，以二茂铁为催化剂，硫为助催化剂，苯为碳源制备了碳纳米管。
用T300连续碳纤维和多壁碳纳米管为增强体，环氧树脂为基体，制备了单向碳纤维与碳纳米管增强的树脂基复合材料，并研究了复合材料的力学性能，碳纤维的体积分数为60％。
基体中碳纳米管含量为0时，复合材料的断裂强度为1430Mpa，模量为118GPa；基体中碳纳米管含量为1wt％时，复合材料的断裂强度为1450MPa，模量为166GPa；基体中碳纳米管含量为3wt％时，复合材料的断裂强度为1780MPa，模量为164GPa；基体中碳纳米管含量为5wt％时，复合材料的断裂强度为1120MPa，模量为126GPa。
基体中碳纳米管含量为3wt％时，复合材料的力学性能最好。
关键词：碳纳米管，连续碳纤维，复合材料1 引言自1991年Iijima发现碳纳米管以来[1]，碳纳米管引起人们的广泛关注，成为化学、物理和材料等科学领域的研究热点。
制备碳纳米管的方法主要有石墨电弧法(又称直流电弧法)、催化裂解法、激光蒸发石墨棒法、热解聚合物法、火焰法、离子(电子束)辐射法、电解法、模型碳化等[2-9]，其中以Fe、Co、Ni等金属为催化剂，催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，使碳纳米管的工业化生产成为可能。
碳纳米管多种多样的形状和结构，使其具有许多潜在的应用价值，如用于材料的增强、一维量子导线、半导体材料、催化剂载体、分子吸收剂、隧道扫描和原子力显微镜的探头等。
碳纳米管具有管径小、长径比大的特点，直径在几十纳米以内，管的轴向长度为微米至厘米量级，是目前最细的纤维材料，这种独特的结构使碳纳米管具有优异的力学性能和独特的电学性能。
实验表明，单根多层碳纳米管杨氏模量平均为1.8 TPa，弯曲强度达14.2GPa[10]。
碳纳米管在环氧树脂改性中的应用研究进展
碳纳米管（CNTs）是由石墨片层卷曲而成的接近理想的圆柱形晶须（一维纳米材料、轻质且六边形结构连接完美）[1]，具有优异的力学性能、热稳定性和导电性，并且其柔韧性佳（最大弯曲角度超过110°），是复合材料理想的改性剂和功能型增强材料。
因此，CNTs 已广泛应用于聚合物基复合材料的改性，并且已成为全世界材料学家关注的焦点之一[2-3]。
环氧树脂（EP）具有良好的力学性能、粘接性能、电绝缘性能和化学稳定性能，因而已广泛应用于国民经济和国防建设等诸多领域，并且在电气、汽车、航空和电子等领域中具有不可取代的地位。
然而，EP最大的缺点是交联固化后脆性较大、耐冲击性和耐应力开裂性能较差。
采用纳米粒子对EP 进行改性，可有效克服EP 的不足之处，并且既能保持EP 良好的电绝缘性能，又能提升EP 基复合材料的耐腐性、加工性和粘接性能[4]。
EP 中引入CNTs 后虽可改善其各项性能，但两者并不是有机相和无机相简单的加和，而是在纳米范围内的结合，故两相界面间存在着较强或较弱的相互作用力，两者复合后，可得到集无机、有机和纳米粒子等诸多特性于一体的新材料[5-6]。
1 ·CNTs 的化学改性处理虽然CNTs 具有优异的力学性能和热性能，是制备高性能聚合物基复合材料理想的增强材料[7-8]，但CNTs 表面的化学惰性使其与聚合物基体之间的相互作用力很小、相容性差。
因此，对CNTs 表面进行处理，可制得性能优良的CNTs/聚合物基复合材料。
CNTs 的表面处理可分为共价法和非共价法两种[9]：共价法一般为化学方法，其主要目的是使CNTs表面在强酸作用下氧化成羧基，然后将某些官能团通过与羧基的反应而引入体系中，如此可有效提高CNTs 和特定聚合物基体之间的相容性。
非共价法一般采用物理方法提高CNTs 在基体树脂中的均匀分散性，并且在不破坏CNTs 结构的同时赋予其新的性能，但这种方法不稳定，CNTs 的性能会随时间延长或环境改变而变化。
碳纳米管的氨基化对环氧树脂力学性能的影响
Ｍ Ｔ 直径小于 ８ｎ 长度分别 为 ２ ５ ｍ， ＷＮ ： ｍ， 、 Ｏ 中国科学院成都化学有限公司；
Ｅ ： ５， Ｐ Ｅ一 １上海新华树脂厂 ； Ｔ Ｔ 二环己基碳二亚胺 （ Ｃ ） 二氨基二苯 Ｅ Ａ、 ＤＣ 、
甲烷 （ Ｄ ： Ｄ Ｍ） 中国 医药 集 团上海 化学 试 剂公 司 。
维普资讯
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工程塑料应用
２０ ０ ６年， ３ 第 ４卷， １ 期 第 ２
碳纳米管的氨基化对环氧树脂力学性能的影响
王 国建 郭建龙 屈泽 华
２０９ ） ００２ （ 同济大学材料科学 与工程学院 。 上海
摘要
研 究 了三 乙烯四胺（ Ｅ Ａ） 饰的 多壁碳 纳米 管（ ＴＴ 修 ＭＷＮ 对 环氧树脂（ Ｐ ／ Ｔ） Ｅ ） ＭＷＮ Ｔ复合材料 力学性能的
影 响。结果显 示 ， 氨基化的短 Ｍ Ｔ 面的 Ｔ Ｔ ＷＮ 表 Ｅ Ａ含量较 高 ， 修饰效果较 好 ， Ｅ 在 Ｐ中分散性较好 。添加 １ 左右的 ％
氨基化短 ＭＷＮ Ｔ复合 材料 的冲击强度 、 断裂伸长率 、 伸强度和 弯曲强度较 纯 Ｅ 拉 Ｐ分 别提 高 了 １３ 、４ ％ 、０ 和 ６％ ３５ ８％ ３％ ； ｌ 氨基 化的长 ＭＷＮ Ｔ比短 ＭＷＮ Ｔ复合材料的 冲击强度 和断裂伸长 率分别 高 １． ％ １ ． ％ ； ８ ４ 和 ０ ２ 拉伸 强度和弯 曲
５ Ｌ由浓硫酸和双氧水组成 的混合液（ ０ｍ 体积 比 ４ ： １ 混合 ， ７ ℃ 回流搅拌 ２ｈ ） 于 Ｏ 。用蒸馏水稀释后用 微孔滤膜过滤 ， 滤饼用蒸馏水淋洗至滤液显 中性 ， 烘 干得 二步 酸化 产物 “Ｊ 。 取 ０ ２ｇ ． 二步酸化 Ｍ Ｔ和 ３ Ｅ Ａ｝ 合 ， ＷＮ Ｏｇ Ｔ 昆 Ｔ 搅拌均匀后加入 ５ｇＤ Ｃ 混合均匀 ， １０ Ｃ ， 在 ２ ％加热
纳米碳管的分散对其增强环氧树脂强度的影响
纳米碳管的分散对其增强环氧树脂强度的影响FRP /C M 2005.No .4收稿日期:2005201212作者简介:李贞(19802),女,硕士研究生,研究方向复合材料成型工艺。
纳米碳管的分散对其增强环氧树脂强度的影响李 贞,段跃新,梁志勇(北京航空航天大学,北京 100083)摘要:以纳米碳管增强环氧树脂复合材料为研究对象,研究了纳米碳管在环氧树脂中的分散效果及碳管含量、分散剂的用量和碳管的分散时间对环氧树脂弯曲性能和热性能的影响,并用扫描电子显微镜(SE M )观察其微观结构。
结果表明,纳米碳管的分散对环氧树脂的弯曲性能影响很大,而加入纳米碳管能够显著提高环氧树脂的耐热性。
关键词:复合材料;纳米碳管;环氧树脂;弯曲强度中图分类号:T B332 文献标识码:A 文章编号:1003-0999(2005)04-0020-04 纳米碳管由于纳米中空管及螺旋度的共同作用,具有极高的强度和理想的弹性,杨氏模量甚至可达1.3TPa 。
在内外层承受了16%应变的情况下纳米碳管没有断裂,证明其具有非凡的韧性和恢复能力。
[1]纳米碳管长径比在1万以上,强度比钢高100倍,但重量不及钢的1/6。
[2]纳米碳管具有如此优秀的力学性能,是一种绝好的纤维材料。
它的性能优于当前的任何纤维,既具有碳纤维的固有性质,又具有金属材料的导电导热性、陶瓷材料的耐热耐蚀性、纺织纤维的柔软可编性以及高分子材料的轻度易加工性。
纳米碳管内碳原子网格的基本结构是C 2C 共价键,整个网格是一个闭合的空间结构。
这种闭合的空间结构使纳米碳管具有石墨的内平面性质如高的传导率,高强度与刚度等。
纳米碳管还有独特的导电性和极大的比表面积,可以应用在电子、机械、化学、生物等许多方面。
由于纳米碳管的这些优异的性能,研究纳米碳管增强复合材料成了目前纳米碳管研究领域的一个热点。
本文研究了纳米碳管在环氧树脂中的分散效果及碳管含量和分散剂的用量对环氧树脂弯曲性能及热性能的影响,并用扫描电子显微镜(SE M )观察其微观结构。
EP15 三乙烯四胺改性碳纳米管对环氧树脂力学性能的影响
收稿日期:2008-09-17;修回日期:2008-12-29作者简介:王芳,1980年出生,博士研究生,主要从事环氧树脂的改性及其复合材料性能的研究。
E -mail:wangfangnuaa@nuaa .edu .cn三乙烯四胺改性碳纳米管对环氧树脂力学性能的影响王 芳 肖 军 李淑琴 王经文(南京航空航天大学,南京 210016)文 摘 采用三乙烯四胺(TET A )对多壁碳纳米管(MWNT )改性,红外光谱表明MWNT 表面成功接枝氨基基团,拉曼光谱表明胺化过程并未改变MWNT 本身的石墨结构。
用胺化前后的MWNT 与环氧树脂(EP )复合,研究了不同含量MWNT 对复合材料力学性能的影响。
结果表明胺化碳纳米管对EP 有较好的增强增韧作用,添加量为0.75%(质量分数)时可以使复合材料的抗拉强度提高70%,冲击强度提高61%。
复合材料断面场发射扫描电镜照片(FESE M )表明胺化MWNT 在基体中分散性提高,并且与基体的相容性增强,提高了材料力学性能。
关键词 环氧树脂,碳纳米管,纳米复合材料,力学性能I nfluence ofModified Carbon NanotubesW ith Triethyllene 2Tetra mineon Mechanical Pr operties of Epoxy Resin Co mpositesW ang Fang Xiao Jun L i Shuqin W ang J ing wen(Nanjing University of Aer onautics and A str onautics,Nanjing 210016)Abstract Carbon nanotubes (MWNT )were treated with triethyllene 2tetra m ine (TET A ).FTI R results showed that the a m ino gr oup was grafted on the surface ofMWNT and Ra man showed that the functi onalizati on had not affect 2ed the graphite structure of the MWNT .The effects of differentMWNT contents on the mechanical p r operties of epoxyresin (EP )were studied .The results show that a m ino nanotube (TET A -MWNT )can i m p r ove the intensity and t oughness of the nanocomposites .W hen the content of TET A -MWNT is 0.75wt%,the intensity strength is increased by 70%and the t oughness strength is increased by 61%.FESE M show that the good dis persi on and well compatibility of TET A -MWNT with EP matrix can result in the i m p r oved mechanical p r operties of the composites .Key words Epoxy resin,Carbon nanotubes,Nanocomposites,Mechanical p r operties 1 引言环氧树脂(EP )具有优异的粘接性、电绝缘性、耐腐蚀性和化学稳定性,可作为涂料、电器绝缘材料、胶黏剂及复合材料的树脂基体,而且具有易加工成型、成本低等优点,被广泛应用于建筑、机械、电子、航空航天等领域[1～3]。
碳纳米管对环氧树脂力学性能的影响
收稿日期:2004-10-18基金项目:2004年度湖北省教育厅优秀中青年科技创新团队资助计划项目;武汉科技大学优秀中青年科技创新团队资助计划项目作者简介:袁观明,1978年出生,硕士研究生,主要从事碳纳米管改性及其树脂基复合材料的研究工作碳纳米管对环氧树脂力学性能的影响袁观明 李轩科 张铭金 吕早生 张光德( 武汉科技大学,武汉 430081)文 摘 用浇铸成型法制备了碳纳米管/环氧树脂复合材料,研究了其力学性能,并探讨了该材料的微观结构与性能之间的关系。
结果表明,碳纳米管对环氧树脂具有明显增强增韧作用。
在碳纳米管加入量为3.0%(质量分数)时,复合材料的综合性能较好,拉伸强度、拉伸模量及断裂伸长率较纯树脂分别提高了90%～100%、60%～70%、150%～200%。
关键词 碳纳米管,环氧树脂,复合材料Effect of Car bon N anotubes on t heM echanical Properti es of Epoxy Resi nYuan Guan m ing Li Xuanke Zhang M ing jin L üZaosheng Zhang G uangde(W uhan Unive rsity o f Sc i ence ＆T echno logy ,W uhan 430081)Abst ract Carbon nano t u be /epoxy co m posit e s a r e prepa r ed by cast -m o l d i n g m ethod .The m echan ica l pr oper -ties of the co m posit e s and the r e lationship bet w een the pr operties and the m icrostr ucture o f the co m po sites a r e inve s -tigated .The results sho w that str ength and toughness of epoxy resin a r e obviousl y i m proved w ith t h e addition of car -bon nano t u bes i n resin .The tensil e str ess -strain curves indicate t h at t h e m echan ica l pr ope rty of co m posit e s is be tter t h an tha t o f pu r e resin m atrix .The co m posit e w ith 3.0w t %car bon nano tube conten t has m uch higher value t h an t h at of pure r esi n ,90%～100%,h i g he r in tensile streng th ,60%～70%h i g he r in tensile m odalus and 150%～200%higher i n breaking e longa tion .SE M i m ages ana l y ses of the frac t u re section o f the co m posite disp l a y tha t the add ition concen tration of carbon nanotubes in resin has a close rela tion w ith t h e m echan ica lp r opert y o f car bon nano -t u be /epoxy r e sin co m posit e s .K ey w ords Carbon nano t u bes ,Epoxy r esi n ,Co m po site 1 前言碳纳米管自从1991年被日本学者Iiji m a 发现以来[1],10多年来一直是世界科学研究的热点之一[2]。
环氧树脂固化碳纳米管纤维
环氧树脂固化碳纳米管纤维环氧树脂是一种常用的高性能复合材料，具有优异的物理和化学性质。
碳纳米管是一种具有高强度和导电性的纳米材料。
将碳纳米管纤维与环氧树脂固化，可以产生具有优异性能的复合材料。
环氧树脂固化碳纳米管纤维的过程涉及到树脂的固化反应和纳米管的填充效应。
首先，树脂的固化反应可以通过加热或加入固化剂来完成。
树脂分子之间的交联反应会使材料变得坚硬和耐磨，同时提高抗拉强度和抗压强度。
其次，碳纳米管纤维作为填充材料，可以增强材料的导电性和力学性能。
纳米管的高比表面积和纳米尺度的尺寸效应使其在复合材料中起到了重要作用。
环氧树脂固化碳纳米管纤维的复合材料具有多种优异性能。
首先，由于碳纳米管的高导电性，该复合材料可以用于制备导电性能优良的材料，例如导电涂料和导电聚合物。
其次，碳纳米管的高强度和刚度使得复合材料具有优异的力学性能。
通过调节碳纳米管的含量和取向，可以实现复合材料的力学性能的定制化。
此外，碳纳米管还可以提高材料的热导率和阻尼性能。
在制备环氧树脂固化碳纳米管纤维复合材料时，需要注意一些关键因素。
首先，碳纳米管的分散性对于复合材料的性能至关重要。
良好的分散性可以提高碳纳米管的填充效应，增强材料的导电性和力学性能。
其次，树脂的固化温度和时间对于复合材料的性能也有重要影响。
适当的固化温度和时间可以实现树脂的充分固化，提高材料的力学性能。
最后，合适的纤维含量和纤维取向可以实现复合材料的定制化。
总的来说，环氧树脂固化碳纳米管纤维的复合材料具有多种优异性能。
通过合理调控树脂的固化反应和碳纳米管的填充效应，可以实现复合材料性能的定制化。
这种复合材料在导电性、力学性能、热导率和阻尼性能等方面具有广泛应用前景，可以在电子、航空航天、汽车等领域发挥重要作用。
未来的研究方向包括进一步优化复合材料的性能，提高碳纳米管的分散性和填充效应，并探索新的应用领域。
碳纳米管环氧树脂复合材料的力学、电学性能研究
论文题目：碳纳米管/环氧树脂复合材料的力学、电学性能研究系别：专业：姓名：指导教师：中文摘要导电高分子材料在电子通信、传感信息、航空航天等领域有着广泛应用。
目前，可导电的高分子分为两种：本征导电高分子和填充导电相的复合材料。
由于填充导电相的复合材料在力学性能、制备工艺、导电效果上的优势，实际中应用的导电高分子一般都是填充型的复合材料。
本实验立足于航空应用和工业应用情况，尝试研究在环氧树脂中添加碳纳米管的力学和电学性能，试图合成集导电性能和力学性能于一身的结构功能一体化材料。
本文研究的碳纳米管/环氧树脂复合材料是导电复合材料中研究较多的材料体系。
实验中为了降低体系的黏度，方便搅拌和固化成型，使用50wt%环氧稀释剂669混合E44环氧树脂作为基体。
固化剂选择了常用的甲基四氢苯酐，同时添加了促进剂DMP-30，实验中采用的分散方法是普通的搅拌和超声分散。
实验结果显示，碳纳米管的加入大大增加了材料的力学性能。
抗弯强度从81.72MPa增大到了130MPa，增加了60%左右。
同时碳纳米管加入后起到了增韧作用，材料的韧性明显提高。
比较不同浓度下的抗弯强度可以发现，碳纳米管的浓度变换对复合材料的整体抗弯强度影响并不大。
从扫描电镜照片来看，本实验制备的碳纳米管/环氧树脂复合材料的分散性并不好，碳纳米管呈现聚集分布。
在电学性能上，由于碳纳米管的分散不够，导致材料的电导率偏低。
阻抗分析显示，渗流阈值在0.50wt%以上。
在碳纳米管分散性较好的情况下，由于碳纳米管的长径比较大，渗流阈值一般在0.1wt%以下。
在介电性能方面，本实验发现碳纳米管可以显著增加材料在低频下的相对介电常数。
关键词：碳纳米管；环氧树脂；复合材料；阻抗；抗弯强度ABSTRACTConducting polymer has widely application in electrocommunication, sensor and aerospace. It can be divided into intrinsic conducting polymer and conductive filled polymer composite. Due to the good performance of conductive filled polymer composite in mechanical property, preparation technology and conductivity, the composites have been used in reality. This research is based on application in aerospace and industry and try to find out the relationship between composites property and carbon nanotubes concentration. I am trying to produce a new material with good resistance to bending performance and high conductivity.The CNT/epoxy resin composites has been widely studiedin laboratory. In order to reduce the viscosity of the liquid and solidify easily, we use 50wt% 669 and 50wt% E44 as the matrix. Curing agent use MTHPA and accelerator use DMP-30.The result shows carbon nanotubes can improve the mechanical property greatly. The bending strength arises from 81.72MPa to 130MPa, nearly 60%. What’s more, carbon nanotubes can improved its toughness. Comparing to data, the bending strength doesn’t changed much with the concentration.From the SEM picture, carbon nanotubes do not spread well into the composites. As for its electrical property, conductivity is very low since the nanotubes have obvious agglomeration. From the data, percolation threshold is above 0.5wt% which is very high compared to 0.1wt% when the nanotubes are well-dispersed. We also find that the relative permittivity is greatly improved by adding carbon nanotubes into the polymer matrix.Key words: carbon nanotubes; epoxy; composites; impedance; bending strength目录第1章绪论 (1)1.1 研究背景 (1)1.1.1 本征型导电聚合物 (1)1.1.2 复合型导电聚合物 (1)1.2 研究现状 (3)1.2.1 导电机理研究进展 (3)1.2.2 碳纳米管/聚合物复合材料研究进展 (6)1.3 本实验的意义和内容 (9)第2章实验部分 (10)2.1 实验器材 (10)2.2 实验药品 (10)2.3 实验方案与流程 (10)2.3.1 复合材料制备方案 (10)2.3.2 力学性能测试 (11)2.3.3 电学性能测试 (12)2.3.4 SEM观察 (12)第3章实验结果与讨论 (13)3.1 碳纳米管的扫描电镜照片 (13)3.2 碳纳米管在环氧树脂中的分布情况 (14)3.3 碳纳米管/环氧树脂的三点弯曲性能 (17)3.4 碳纳米管/环氧树脂复合材料的断口SEM照片 (18)3.5 碳纳米管/环氧树脂复合材料的阻抗分析 (20)3.6 碳纳米管/环氧树脂复合材料的介电性能 (22)第4章结论与展望 (24)4.1 实验结论 (24)4.2 研究总结与展望 (24)插图索引 (25)参考文献 (26)第1章绪论1.1 研究背景随着现代社会发展，高分子材料在光电子、传感器、电磁屏蔽、防静电、能源等领域都要求具有一定甚至较好的导电性。
EP31 乙二胺修饰的碳纳米管对环氧树脂力学性能的影响
氧树脂中的扩散， 并改变它在环氧树脂中的界面能， 进一步提高了碳纳米管 $ 环氧树脂复合材料的弹性
［ 1］ 模量。<@BFBD 等利用熔融机械混合法将多壁碳纳
米管随机分散在熔融态环氧树脂中， 然后切成 1) G ())DA 薄片， 首次通过切片法制备了定向排列的碳 纳米管聚合物复合材料。复合材料剪切面上的碳纳 米管受剪切作用后局部呈取向排列， 不仅没有断裂， 反而随剪切过程被拉长， 反映出碳纳米管具有优异 的力学性能。HIJBKLMN
0’ 前’ 言
［ 0］ 自 0..0 年 >?@?AB 宣布合成碳纳米管以来， 碳
［ .］ 料中的分散性。 3MEL?P-Q5PB 等用酰氯法制备了
苯二胺修饰的单壁纳米管， 成功使用二元胺对单壁
［ 0) ］ 碳纳米管进行了化学修饰。 HRMSMD5 等制备了氟
纳米管由于具有优异的性能而日益得到广泛的关
［ 30 ］ ， 即酰胺 I 带； 在 35)) : 31))V8 ? 3 产生的吸收峰
处出现由 ,EX 弯曲振动和 %E, 伸缩振动引起的组 合吸收峰， 即酰胺 II 带； 在 3)*)V8 ? 3 左右出现由 %E 即酰胺 III 带。图 3 谱线 @ ,EX 振动产生的吸收峰， 中 05))V8 ? 3 出现的羟基峰被谱线 W 中 006(V8 ? 3 及 050)V8 ? 3 出现的伯酰胺 ,X( 伸缩振动产生的吸收 峰取代。这些结果与 K@OR-， 曹春华等人的实验结果 相符， 表明经 F2N 修饰的 &T,U 的表面确实已通
［ *］
等对碳纳米管 $ 环氧树脂复
(’ 实’ 验
多壁碳纳米管 （ &3,4） 由中国科学院成都化学 有限公司生产； 直径小于 :DA， 长度 1) !A； T/10 环 氧树脂由上海新华树脂厂提供； 乙二胺 （ TU< ） 、 二 环己基碳二亚胺 （ U%% ） 、 二氨基二苯甲烷 （ UU& ） 均 由中国医药集团上海化学试剂公司生产。 &3,40))AE 与 01)AL 浓硫酸、 浓硝酸混酸 （2： 0） 混合， 在 1)V 下超声波震荡反应 9J， 蒸馏水稀释 后用微孔滤膜 （ 直径为 )6 91 !A ） 过滤至滤液显中 性， 烘干得一步酸化产物。一步产物与 1)AL 浓硫 酸、 双氧水 （9： 0） 混合， 8)V 下回流搅拌 (J， 重复一
改性碳纳米管对环氧树脂基复合材料热性能和力学性能的影响_谢璠
本文 对 MWCNT 进 行 热 处 理 后， 再 在 体 积 比 为 3 1∶ 的 浓 硫 酸 和 浓 硝 酸 的 混 酸 中 进 行 处 理，使 MWCNT 表面接上一定量的羟基和羧基，然后在超声分 散作用下，采用模具浇注法制备了 MWCNT / 环氧树脂复 合材料，对复合材料的力学性能和热学性能进行了研 究，为碳纳米管的进一步改性提供了可靠的依据。
首先，将 MWCNT 分散在适量的丙酮中，用超声 波法使其分散均匀，加入环氧树脂后再用细胞粉碎仪 进行分散，加入适量的固化剂并搅拌均匀，再放入真 空干燥箱内连续抽真空，2 h 后，将其倒入模具中， 70 ℃ 固化 6 h，150 ℃ 固化 1 h。 1. 4 测试与表征 1. 4. 1 红外光谱分析 （ FTIR）
Tab 1 Tg and TID of pure EP and different MWCNT / EP composites
试样 纯 EP 0. 5% S-CNT 1% S-CNT 1. 5% S-CNT 2% S-CNT
Tg 107. 3 117. 9 126. 8 147. 2 150. 9
1 实验部分
1. 1 实验原料 环氧树脂： E-51，环氧值 0. 52，工业级，蓝星
新材料无锡树脂厂； 2 － 甲基 － 4 － 乙基咪唑 （ 2，4EMI） ： 国药集团化学试剂有限公司； 多壁碳纳米管 （ MWCNT） ： 长度 10 μm，直径＞50 nm，深圳纳米港 有限公司； 丙酮： 分析纯，天津市富宇精细化工有限 公司； 浓硫酸： 96% ～ 98% ，分析纯，北京市大兴区
Keywords： Epoxy Resin； Carbon Nanotubes； Surface Modification； Composites
多壁碳纳米管表面功能化对环氧树脂基复合材料制备和性能的影响的开题报告
多壁碳纳米管表面功能化对环氧树脂基复合材料制备和性能的影响的开题报告1.研究背景和意义：多壁碳纳米管（MWCNT）因具有良好的力学性能、导电性、热稳定性等优异的性能，成为了集成电路、催化剂、传感器等领域的重要材料之一。
同时，MWCNT还可以通过表面功能化实现与聚合物材料的良好相容性，提高复合材料力学性能、热稳定性、抗静电性能等性能指标。
环氧树脂作为一种常见的高分子材料，被广泛应用于各个领域中。
但是，环氧树脂的力学性能、阻燃性能等方面有待进一步提高。
利用MWCNT对环氧树脂进行表面功能化，可以大幅度提高复合材料的力学性能，同时还可以提高其阻燃性能和电导性能，拓展环氧树脂的应用领域和提高其性能指标。
因此，研究MWCNT表面功能化对环氧树脂基复合材料制备和性能的影响具有重要的研究价值和应用前景。
2.研究内容和方法：本研究将通过以下几个方面，研究MWCNT表面功能化对环氧树脂基复合材料制备和性能的影响：（1）MWCNT表面功能化：采用不同的化学方法对MWCNT进行表面功能化处理，对表面功能化后的MWCNT进行结构表征和分析，并确定表面功能化对复合材料性能的影响。
（2）复合材料制备：采用溶液浸渍法、热成型法等方法制备MWCNTs/环氧树脂基复合材料，并通过力学性能测试、动态热重分析（TGA）等手段对复合材料进行分析。
（3）复合材料性能测试：对不同条件下制备的MWCNTs/环氧树脂基复合材料进行性能测试，如力学性能测试、热稳定性测试、导电性能测试等。
3.预期结果：通过对MWCNT表面功能化对环氧树脂基复合材料制备和性能的影响进行研究，本研究预期可以实现以下几方面的结果：（1）确定不同表面方法对MWCNT表面结构的影响，并对其进行表征和分析；（2）探究MWCNT表面功能化对环氧树脂基复合材料制备和性能的影响，如力学性能、热稳定性、导电性能等方面的变化；（3）最终实现通过MWCNT表面功能化提升环氧树脂基复合材料性能的目标，为新型复合材料的研究提供理论基础和技术支持。
碳纳米管改性对环氧树脂力学性能的影响
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甘肃科技
第 !" 卷
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质量分数的提高使环氧树脂基体中含有的碳 纳米管密度增大是一个原因 碳纳米管氨基化过程 的热氧化和化学氧化作用不充分是另外一个原因 这种氧化不充分就有可能导致体系中夹杂物的存 在即存在碳纳米管之间的以及碳纳米管和夹杂物 之间的原始纠缠形成团聚中心从而增大了碳纳 米管的团聚作用 在受力之后会因为纳米材料分 布不均匀而产生应力分布的不均衡致使复合材料 内部结构中产生缺陷例如裂纹 在缺陷的边缘进 一步会产生应力集中现象这会使得复合材料失效 从而对冲击能量的吸收效果也就不会有提高
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自 由 体 积 分 数 5
环氧树脂涂层碳纳米管
环氧树脂涂层碳纳米管
环氧树脂是一种重要的高分子材料，具有优异的力学性能、电绝缘性能和化学
稳定性，因此在各种领域广泛应用。
碳纳米管则是一种纳米材料，具有独特的物理和化学性质，被认为是21世纪的重要材料之一。
将碳纳米管与环氧树脂相结合，
可以赋予新材料更多的优异性能。
环氧树脂涂层碳纳米管材料具有许多优点。
首先，碳纳米管具有极强的强度和
刚度，与环氧树脂相结合后可以增强环氧树脂的力学性能，提高材料的强度和硬度。
其次，碳纳米管具有良好的导电性能，可以使环氧树脂具有导电性，有利于在电子器件中的应用。
此外，碳纳米管还具有很高的比表面积，可以增加环氧树脂的气体和液体渗透性，提高材料的吸附性能。
环氧树脂涂层碳纳米管材料在多个领域有着广泛的应用前景。
在复合材料领域，环氧树脂涂层碳纳米管可以用于制备高性能的复合材料，如航空航天领域的结构材料、汽车领域的车身材料等，可以大大提高材料的性能指标。
在电子器件领域，环氧树脂涂层碳纳米管可以制备导电性能优异的材料，应用于柔性电子器件、传感器等领域。
在防腐涂料领域，环氧树脂涂层碳纳米管可以提高涂层的耐腐蚀性能，延长涂层的使用寿命。
随着碳纳米管制备技术的不断发展和环氧树脂涂层碳纳米管材料研究的深入，
相信这种新型材料将在更多领域展现出优越的性能，并为材料科学领域带来更多的创新和突破。
改性碳纳米管增强环氧树脂力学性能研究进展
关 键 词 ： 纳 米 管 ； 能 团 化 ； 性 ； 氧 树脂 碳 官 改 环 中 图 分 类 号 ：Ｑ ２ ． 文 献标 识 码 ： 文 章 编号 ：０ ４ ２ ４ （００ １— ０ ６ ０ Ｔ ３ ３５ Ａ １０ — ８ ９ ２ １ ）０ ０ ５ — ６
０ 前Leabharlann 言 而增强 Ｃ Ｔ ／Ｐ复 合材 料 的力 学性 能 ， 内外 采取 Ｎｓ Ｅ 国 多种途 径对 Ｃ Ｔ 表 面进行 改 性 。通常 的方 法 是先 Ｎｓ 对 Ｃ Ｔ 进行 表 面官 能 团化 ，在其 端 口或侧 壁 引进 Ｎｓ 功 能性基 团 以增 加其 水溶 性 ， 提高 Ｃ Ｔ 在 Ｅ Ｎｓ Ｐ中的
摘
要 ： 有 低 密 度 、 强 度 和 高 模 量 等 优 异 力 学 性 能 的 碳 纳 米 管 （ Ｎ ｓ 是 环 氧 树 脂 （ Ｐ 基 体 的 理 想 具 高 Ｃ Ｔ） Ｅ）
增强材 料 ， 而 Ｃ Ｔ 然 Ｎ ｓ在 Ｅ 体 中 分 散 性 较 差 ， 且 其 与 Ｅ Ｐ基 并 Ｐ之 间 难 以 形 成 有 效 的 结 合 界 面 ， 成 为 制 约 这 Ｃ Ｔ／Ｐ复合 材 料 力 学 性 能 进 一 步 增 强 的 关 键 因 素 ， Ｃ Ｔ 行 官 能 化 改 性 则 是 解 决 上 述 问 题 的 有 效 途 ＮｓＥ 对 Ｎ ｓ进
中 国 胶 粘 剂
一
２１ ０ ０年 ｌ 第 １ 第 １ 期 ０月 ９卷 ０
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Ｃ ＮＡ ＡＤ ＨＩ ＨＥＳ ＶＥ Ｉ Ｓ
改性碳 纳米管增 强环 氧树脂 力学性能研 究进展
晁 吉 福 ，吴耀 国 ，刘 燕 燕
（ 西北 工 业 大 学 理 学 院应 用 化 学 系 ， 西 西 安 陕 ７０２ ） １１ ９
改性多壁碳纳米管对环氧树脂的力学性能的影响
改性多壁碳纳米管对环氧树脂的力学性能的影响徐文豪摘要：本文概述了几种改性多壁碳纳米管（MWCNTs）增韧环氧树脂（EP）的方法，通过对比和比较，可以更好的选择提高复合材料力学性能的改性方法和最适条件。
MWCNTs在EP基体中的良好分散对提高复合材料力学性能起重要作用，而改性后的MWCNTs有着比未改性的更良好的对EP基复合材料增韧的效果，因此研究改性后的MWCNTs提高EP基复合材料的力学性能有着重要的意义。
关键词：多壁碳纳米管；改性；力学性能；纳米复合材料；拉伸性能；弯曲模量引言环氧树脂（EP）具有优良的热性能、耐化学腐蚀性以及强度高、粘结性能好等优异的特点，因而广泛的应用于电子材料的浇注、灌封以及涂料、粘结剂和复合材料基体等领域。
但环氧树脂固化后交联度较高，耐候性差、质脆、耐冲击性能差且容易开裂，这大大限制了它的应用。
因此，环氧树脂的增韧成为目前环氧树脂的研究重点。
［1］碳纳米管是由具有六边形结构的石墨片层卷曲而成接近理想的圆柱形晶须，因具有优异的力学性能、热稳定性和导电性能，使得碳纳米管可作为聚合物复合材料的最终增强体，吸引着全世界材料学家的注意。
近些年有关碳纳米管聚合物复合材料的研究报道迅速增加，而且碳纳米管大量制备技术的发展为其在复合材料领域的应用提供了可能。
碳纳米管具有纳米尺度直径，聚合物添加少量碳纳米管后可表现出不同的热电性质和力学行为，有关这些热电性质特别是力学行为在国内还没有开展系统的研究。
比如，由于碳纳米管径向的纳米级尺度和高表面能导致其在聚合物中容易发生团聚而分散性较差，使得碳纳米管和聚合物之间的界面作用力较弱，载荷不能有效传递，碳纳米管就可能在剪切力作用下从聚合物中被拔出，这直接影响到复合材料的力学性能。
此外。
聚合物纳米复合材料在高温下的力学行为的研究也是不容忽视的。
［2］多壁碳纳米管具有大的长径比、非常高的热导率、优异的力学性能及稳定的化学性能等优点，是聚合物基复合材料十分理想的纳米导热填料（图1）。
碳纳米管无溶剂纳米流体对环氧树脂力学性能及阻尼性能的影响
碳纳米管无溶剂纳米流体对环氧树脂力学性能及阻尼性能的影响王钰登;刘千立;姚卓君;姚东东;郑亚萍【摘要】为降低多壁碳纳米管(MWNTs)在树脂基体中的团聚程度,提高树脂基体的机械性能,以酸化多壁碳纳米管为核,接枝颈状层硅烷偶联剂(KH560)和冠状层聚醚胺(M2070),得到碳纳米管无溶剂纳米流体(MWNTs-C-M2070).采用傅里叶红外光谱、流变分析和透射电子显微镜对其结构进行表征.结果表明,颈状层和冠状层成功接枝于碳纳米管表面,在测试范围内其损耗模量始终大于储能模量,说明其液体特征.以合成的MWNTs-C-M2070作为改性剂加入环氧树脂基体中,研究其力学性能及阻尼性能.结果表明:当MWNTs-C-M2070加入量为2％～4％(质量分数)时,树脂基体的力学性能和阻尼性能都能得到良好的改善.与传统碳纳米管填料相比,MWNTs-C-M2070无需超声辅助即可在树脂及溶剂中实现稳定的分散,在复合材料的工业生产中有较大应用价值.【期刊名称】《上海航天》【年(卷),期】2019(036)003【总页数】6页(P104-109)【关键词】无溶剂纳米流体;碳纳米管;纳米复合材料;阻尼性能【作者】王钰登;刘千立;姚卓君;姚东东;郑亚萍【作者单位】西北工业大学理学院,陕西西安710072;上海复合材料科技有限公司,上海201112;上海复合材料科技有限公司,上海201112;西北工业大学理学院,陕西西安710072;西北工业大学理学院,陕西西安710072【正文语种】中文【中图分类】TB3320 引言随着科学技术的飞速发展，飞行器、火车、汽车等交通运输工具的速度得到了进一步提升。
随之而来的问题就是机械设备高速运行引起的振动与噪声对设备自身及人体带来的不良影响。
因此，减振降噪是必须解决的问题[1]。
传统的黏弹性阻尼材料经过几十年的发展已经比较成熟，但是这类材料的强度、模量等力学性能较差，不能作为结构材料使用。
碳纳米管／环氧树脂复合材料力学性能的研究
２０ ０ ８年 １ ０月
矿 冶 工 程
ＭＩ Ｎ Ｇ ＡＮＤ ＥＴＡＬＬＵＲＧＩ Ｍ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ Ｇ Ｎｆ
Ｖｏ ＿ ８ № ５ ｌ２
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碳 纳 米 管／ 氧树 脂 复合 材 料 力 学 性 能 的研 究① 环
ＬＡＮＧ Ｓ ｕ ｑ ａ ，ＪＡ Ｃｈ ｎ ｙ ｎ，Ｔ Ｉ ｈ — ｕ ｎ Ｉ ｕ —ａ ＡＮＧ Ｙａ ｎ
（ ｃｏｌｆＭａ ｒ ｌ Ｓｉ ｃ ｎ ｎ ｉ ｅｉ ，Ｃ ｎｒｌ ｏｔ ｎｖ ｓｙ ｈ ｎ ｓａ４ ８ ， ｕ ａ ， ｈｎ ） Ｓｈ ｏ ｏ ｔ ｉ ｓ ｃ ｎｅａ ｄＥ ｇｎ ｒ ｇ ｅｔ ｕ Ｕ ｉ ｒ ｔ，Ｃ ａｇｈ ０ ３ Ｈ ｎ ｎ Ｃ ｉａ ｅ ａ ｅ ｅ ｎ ａＳ ｈ ｅｉ １ ０
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碳纳米管环氧树脂复合材料的导热及力学性能
收稿日期：２０２０－０５－２６作者简介：施雪军（１９８５— ），男，河南省南阳市人，理学博士，平顶山学院化学与环境工程学院讲师，主要从事功能复合材料研究．碳纳米管／环氧树脂复合材料的导热及力学性能施雪军，任一丹（平顶山学院化学与环境工程学院，河南平顶山４６７０３６）摘 要：以碳纳米管为功能填料、环氧树脂为基体、２－乙基－４－甲基咪唑为固化剂制备了碳纳米管／环氧树脂复合材料，并研究了碳纳米管含量对复合材料导热和力学性能的影响．结果表明：纯环氧树脂的导热系数为０．２０１Ｗ／（ｍ·Ｋ），添加质量分数为２的碳纳米管复合材料的导热系数为０．２５６Ｗ／（ｍ·Ｋ）；当添加质量分数为８的碳纳米管时，复合材料的导热系数为０．３３４Ｗ／（ｍ·Ｋ），比纯环氧树脂提高了６６％．随着碳纳米管的含量逐步提高，复合材料的导热性能相应提升，然而复合材料的力学性能却呈现劣化的趋势．关 键 词：碳纳米管；环氧树脂；复合材料；导热性能；力学性能中图分类号：ＴＢ３３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３－１６７０（２０２０）０５－００３９－０４０ 引言环氧树脂具有优异的力学性能、黏结性能、耐化学腐蚀性，固化收缩率较小、尺寸稳定性以及加工性能好，目前大多数封装基体所选材料为环氧树脂．但是，环氧树脂的本征导热系数较低，不利于降低电子元件的工作温度［１－２］．通过添加高导热系数填料的方式来改善环氧树脂材料的导热性能是一种简单可行的方法．无机粉体填料如氧化铝、氮化硼等与碳材料如石墨烯、碳纳米管等高导热功能填料成为提高环氧树脂复合材料导热性能的可选目标［３－４］．以氮化硼为代表性的高导热无机填料，其热导率约３３０Ｗ／（ｍ·Ｋ）．牟其伍等［５］选用超细氮化硼作为填料制备了超细氮化硼／环氧树脂导热复合材料．结果表明：复合材料的导热性能随氮化硼填充量的增加而增加；当填料氮化硼质量分数添加到９０％时，复合材料的导热率为１．２４５Ｗ／（ｍ·Ｋ），达到纯环氧树脂的７倍以上．碳纳米管是碳材料的典型代表，具有许多优异的性能，其理论轴向热导率高达３０００Ｗ／（ｍ·Ｋ），被认为是改善环氧树脂导热性能的理想填料．熊高虎等［６］用静电自组装法分别将普通和功能化的碳纳米管作为填料加到环氧树脂中，制备了导热复合材料．体积分数为３％的普通碳纳米管填充后导热率比未添加碳纳米管的环氧树脂提高了１１２％，然而羧基化的碳纳米管导热率仅提高８６％，因此表面改性碳纳米管改善复合材料导热性能的影响有待进一步研究．同时，多壁碳纳米管被称为“超强纤维”，具有硬度高、弹性模量大、可拉伸、韧性好等诸多优异的力学性能，可以提高复合材料的力学性能［７－９］．但许多导热材料的研究仅侧重于提升其导热性能，较少涉及复合材料的力学性能．基于此现状，笔者将未经表面处理的多壁碳纳米管加入环氧树脂基体中制备复合材料，探究碳纳米管添加量对复合材料导热和力学性能的影响．１ 实验部分１．１ 实验试剂多壁碳纳米管的半径为２０到３０ｎｍ，长度为１５μｍ左右，纯度大于９５％，深圳市纳米波特有限公司；环氧值为０．５１的双酚Ａ型环氧树脂，密度为１．１８ｇ／ｃｍ３、纯度大于９５％，岳阳石油化工厂；密度为０．９７８ｇ／ｃｍ３的２－乙基－４－甲基咪唑（ＥＭＩ－２，４），纯度大于９８％，北京国药集团化学试剂有限公司；其他溶剂类试剂均购买于北京国药集团化学试剂有限公司，分析纯．１．２ 实验仪器与设备采用ＱＴＭ－５００型快速热导仪（日本ＫＥＭ公司）和热线法测试圆盘状样品的热导率，测试标准为ＡＳＴＭＣ１１１３－９０；利用ＺＢＣ１４００－１型简支梁第３５卷第５期２０２０年１０月 平顶山学院学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．５Ｏｃｔ．２０２０冲击试验机（深圳新三思）测试材料的冲击性能，测试标准为ＧＢ／Ｔ１０４３．１－２００８，每组测８根样条，计算其平均值；采用Ｓｉｒｉｏｎ２００场发射扫描电镜（荷兰ＦＥＩ公司）观察复合材料在液氮中脆断的断裂形貌，样品通过导电胶贴在样品台上，样品表面喷铂观察形貌，加速电压为１０ｋＶ；利用ＣＭＴ４１０４型的电子万能拉伸试验机（深圳新三思）测试材料的拉伸性能，测试标准为ＧＢ／Ｔ１０４０．２－２００６，拉伸速率为５ｍｍ／ｍｉｎ，每组在室温下测试６根样条，计算其平均值；成型不锈钢模具，机械厂自制．１．３ 实验过程将碳纳米管加入乙醇中，进行超声分散搅拌３０ｍｉｎ后，在悬浮液中加入环氧树脂，再磁力搅拌３０ｍｉｎ以上．当温度升高到６０℃时，用减压蒸馏法除去体系内的乙醇，利用恒重的方法确定乙醇已经完全挥发．等到共混体系温度冷却至室温后，向混合物中加入含有质量分数为６的环氧树脂的ＥＭＩ－２，４固化剂，机械搅拌均匀，然后在５０℃的真空干燥箱中放置该材料，重复３次抽真空脱泡．将混合树脂体系浇注到准备好的不锈钢模具中进行固化，固化条件为：６０℃／２ｈ，１５０℃再继续固化８ｈ，即制备碳纳米管／环氧树脂复合材料．２ 结果与分析２．１ 碳纳米管／环氧树脂复合材料的形貌表征将碳纳米管分散于乙醇中，然后再将分散液滴在硅片上，把硅片粘上导电胶并放在铜制的测试台上，真空喷铂，然后通过扫描电镜（ＳＥＭ）观察其分散情况和形貌变化．图１（ａ）是碳纳米管的ＳＥＭ图像，可见碳纳米管形貌均匀，长度约为１５μｍ左右，直径约为５０ｎｍ．图１（ｂ）是纯环氧树脂断面的ＳＥＭ图像，断面光滑无细纹为脆性断裂，而（ｃ）图是含有质量分数为２的碳纳米管的环氧树脂复合材料的断面扫描电镜图像，出现明显的河流状细纹，与图１（ｂ）相比，其断裂方式由脆性断裂转为韧性断裂．从图１（ｄ）可以看出，含有质量分数为８的碳纳米管的环氧树脂复合材料断面同样出现河流状细纹，出现一些断面比较光滑的区域，这可能是碳纳米管含量提高，其在环氧树脂基体中分散性变差，导致碳纳米管团聚所致，由此复合材料在部分区域表现为脆性断裂，其力学性能劣化．图１ ＳＥＭ图像２．２ 碳纳米管／环氧树脂复合材料的导热性能图２是碳纳米管／环氧树脂复合材料的导热系数随碳纳米管含量变化的曲线．从图中可以看出纯环氧树脂的导热系数为０．２０１Ｗ／（ｍ·Ｋ），随着碳纳米管的加入，复合材料的导热系数逐渐上升，当添加质量分数为２的碳纳米管时，复合材料的导热系数为０．２５６Ｗ／（ｍ·Ｋ）；当添加质量分数为８的碳纳米管时，复合材料的导热系数为０．３３４Ｗ／（ｍ·Ｋ），与纯环氧树脂的导热系数相比提高了６６％．相对碳纳米管的含量以及碳纳米管超高理论导热系数３０００Ｗ／（ｍ·Ｋ）来说，复合材料的导热性能远低于理论值．这可能是因为碳纳米管的碳原子链段存在大量的高频声子，而环氧树脂基体中大都是较低频率的声子，碳纳米管与环氧树脂在热传递的过程中需要大量的低频声子，而两者之间在高频向低频声子转换过程中造成大量的声子不能匹配而散射，进而影响其热量传递效率，从而导致碳纳米管和环氧树脂之间形成巨大的界面热阻，最终导致复合材料的导热系数远低于其理论值［１］．２．３ 碳纳米管／环氧树脂复合材料的力学性能２．３．１ 复合材料的冲击性能图３是碳纳米管含量变化对碳纳米管／环氧树脂复合材料冲击强度的影响曲线．从图中可以看出，碳纳米管／环氧树脂复合材料的冲击强度呈现出先快速增大而后大幅度降低的趋势．对于纯环氧树脂的６．３１ｋＪ／ｍ２来说，添加质量分数为２的碳纳米管的复合材料冲击强度为７．９２ｋＪ／ｍ２，提高了约２６％，继续增大碳纳米管的含量，复合材料的冲击性能逐渐降低，甚至低于纯环氧树脂的冲击强·０４·平顶山学院学报 ２０２０年度．这可能是因为碳纳米管含量不断升高而导致其在环氧树脂基体中团聚形成应力集中点，最终导致复合材料抵抗冲击的能力下降，极大地影响了碳纳米管／环氧树脂复合材料的冲击性能．图２ 碳纳米管质量分数对碳纳米管／环氧树脂复合材料热导率的影响图３ 碳纳米管质量分数对复合材料冲击强度的影响２．３．２ 复合材料的拉伸性能图４是随着碳纳米管含量变化时，碳纳米管／环氧树脂复合材料拉伸强度的变化曲线．当碳纳米管的量增加时，复合材料的拉伸性能迅速升高，然后下降，随后缓慢增加．在未加入碳纳米管时，纯环氧树脂拉伸强度为５６．３ＭＰａ．当碳纳米管质量分数为２时，碳纳米管／环氧树脂复合材料的拉伸强度出现小幅度提高．当碳纳米管的质量分数到达４时，所得到的拉伸强度为６３．４ＭＰａ，相对于纯环氧树脂提高了１４％．然后再继续增加碳纳米管的质量分数为６时，复合材料的拉伸强度相对于纯环氧树脂下降了１２％．图５是复合材料的拉伸模量随填料变化的曲线．碳纳米管的加入整体上提升了碳纳米管／环氧树脂复合材料的拉伸模量，随着碳纳米管含量的提高，复合材料的拉伸模量不断升高．当碳纳米管质量分数低于４时，复合材料的拉伸模量为１５２０ＭＰａ．当填料的质量分数为８时，复合材料的拉伸模量达到最高值１５５０ＭＰａ，与纯环氧树脂的１１２０ＭＰａ相比，提高了４３０ＭＰａ，提升了近４０％．图４ 碳纳米管质量分数对复合材料拉伸强度的影响图５ 碳纳米管质量分数对复合材料拉伸模量的影响３ 结论笔者以环氧树脂为基体，多壁碳纳米管为功能填料，进行分段变温固化制备了碳纳米管／环氧树脂复合材料．得到如下结论：１）随着碳纳米管含量不断增加，碳纳米管／环氧树脂复合材料的导热性能不断提升；当碳纳米管的质量分数为８时，复合材料的导热系数为０．３３４Ｗ／（ｍ·Ｋ），与纯环氧树脂相比提高了６６％．２）碳纳米管／环氧树脂复合材料在碳纳米管质量分数为２时，冲击性能最为优异；当填料质量分数为４时，复合材料的拉伸性能最好，高的碳纳米管含量反而使得复合材料的力学性能有所下降．３）表面改性碳纳米管与环氧树脂复合的材料综合性能研究成果，将会在后续的研究·１４·第５期施雪军，任一丹：碳纳米管／环氧树脂复合材料的导热及力学性能中呈现，其优异的性能值得期待．参考文献：［１］陈超．碳纳米管与银纳米线的表面修饰及其环氧树脂复合材料［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２０１６．［２］石倩．氮化硼／环氧树脂导热复合材料的制备与性能研究［Ｄ］．贵阳：贵州大学，２０１９．［３］胡慧慧，李凡，李立群．环氧树脂基导热绝缘复合材料的研究进展［Ｊ］．绝缘材料，２０１１，４４（５）：２７－３０．［４］谢宇宁，雷华，石倩．电子封装用导热环氧树脂基复合材料的研究进展［Ｊ］．工程塑料应用，２０１８，４６（１２）：１４３－１４７．［５］牟其伍，任兵．超细氮化硼／环氧树脂复合材料的制备和性能影响［Ｊ］．化工新型材料，２０１１，３９（４）：１３１－１３３．［６］熊高虎，刘佳鸿，孙静．碳纳米管／环氧树脂复合材料的静电自组装制备及性能［Ｊ］．高分子材料科学与工程，２０１３，２９（１）：１３６－１３９．［７］邓火英，方洲，梁馨，等．多壁碳纳米管对Ｃ／Ｅ复合材料力学性能的影响［Ｊ］．宇航材料工艺，２０１９，４９（１）：４６－５１．［８］李洪峰，刘仲良，白雪峰，等．多壁碳纳米管－丙烯酸酯嵌段共聚物共改性环氧树脂三元复合材料性能［Ｊ］．复合材料学报，２０２０，３７（４）：７４１－７４８．［９］王卫芳，陆宝山，耿哲．环氧树脂／石墨烯／多壁碳纳米管复合材料力学性能研究［Ｊ］．塑料科技，２０１９，４７（７）：２４－２７．（责任编辑：王彦江）ＴｈｅｒｍａｌＣｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＣａｒｂｏｎＮａｎｏｔｕｂｅｓ／ＥｐｏｘｙＲｅｓｉｎＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＳＨＩＸｕｅｊｕｎ，ＲＥＮＹｉｄａｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＰｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ，Ｈｅｎａｎ４６７０３６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙ，ｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓ／ｅｐｏｘｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｗｉｔｈｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓａｓｆｕｎｃ 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碳纳米管／环氧树脂复合材料力学性能影响因素的研究
时问， 然后在超声波振荡条件下分散混合若干时问； 再 加入 ８７ ｇ固化 剂 （ Ｄ 并机 械 搅 拌 均 匀 ； 于 ．５ Ｄ Ｍ） 置
真空 烘 箱 真 空 除 去 气 泡 ， 注 固 化 。 固 化 条 件 为 浇 ８ ℃下 预 热 ２ ，５ ｏ ４ 。拉 伸 性 能 和 弯 曲 性 能 ０ ｈ １０Ｃ下 ｈ 测 试采 用 上 海 登 杰 仪 器 设 备 有 限 公 司 Ｄ Ｌ －００ Ｘ Ｌ５０ 型微 机控 制万 能试 验机 。冲击性 能测 试采 用河 北 承 德 试验 机 厂 Ｃ ａｐ Ｃ ． ｈｒｙＸ Ｊ ０型 简 支 梁 冲 击 实 验 仪 。 ５ 复合 材料 的断 面分 析采 用 美 国 Ｆ Ｉ 司 Ｑ ａｔ ２０ Ｅ公 ｕｎａ ０ Ｆ Ｇ型场发 射环 境扫 描 电子显 微镜 。 Ｅ
的区别等 ， 提出了提高碳纳米管／ 环氧树脂复合材料
的力 学性 能 的措 施 ， 探 讨 了碳 纳 米 管对 环 氧树 脂 并
的增 强机 理 。
２ 实 验 部 分
２ １ 原材 料 ．
３ 结果 与讨论
碳 纳 米管 在环 氧树 脂 中的分 散性 和 与环 氧树 脂
之 问的界 面结合 力 是影 响复 合材 料力 学性 能 的主 要
与分散方式 （ 超声波作用 和搅拌作用 ） 和碳 纳米管 本 身 的结 构参 数 （ 碳 纳米 管 的长 度 ， 径等 ） 因 如 管 等
素有关 。碳纳 米管 与环 氧树 脂 之 间的界 面结合 力 则
学 院成 都有 机 化 学有 限公 司生 产 ； 氧 树脂 （ 一 环 Ｅ
摘要 ：本 文研 究 了碳 纳米管在环氧树脂 中的分散方式及碳纳米管 长度 对环 氧树 脂复合材料力 学性 能的影响 ， 并对单壁 与 多壁碳 纳米管分别制备的环氧树脂复合材料 的力学性能进行 了分析探讨 。本 实验条件 如下 ： 搅拌 时 间为 ８ ｈ时复合材 料 的冲 击强度 、 拉伸 强度和 弯曲强度 分别可 比 ｌ ｈ时增加 ４ ％、２ １ ２ ％和 ３ ％ ； ８ 超声波处理 时间为４ ｈ时复合 材料 的冲击强度 、 拉伸 强度
碳纳米管环氧树脂复合材料力学性能影响因素的研究
碳纳米管环氧树脂复合材料力学性能影响因素的研究一、本文概述随着科技的进步和纳米技术的发展，碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）作为一种独特的纳米材料，因其优异的力学、电学和热学性能，在复合材料领域的应用日益广泛。
环氧树脂（Epoxy Resin）作为一种常见的热固性树脂，具有良好的粘附性、机械性能和化学稳定性，在航空航天、电子电气、建筑等领域有广泛应用。
将碳纳米管与环氧树脂复合，可以显著提升复合材料的力学性能，从而拓宽其应用领域。
本文旨在全面探讨碳纳米管环氧树脂复合材料力学性能的影响因素的研究。
我们将首先概述碳纳米管的基本结构和性质，以及环氧树脂的特点和应用。
然后，我们将重点分析碳纳米管在环氧树脂中的分散性、界面相互作用、碳纳米管的含量与长径比、制备工艺等因素对复合材料力学性能的影响。
我们还将讨论复合材料的力学性能表征方法，如拉伸强度、弯曲强度、冲击强度等，并探讨其与影响因素之间的关联。
通过本文的研究，我们期望为碳纳米管环氧树脂复合材料的制备和应用提供理论依据和技术指导，同时为推动纳米复合材料的发展做出贡献。
二、碳纳米管的基本性质与制备方法碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是一种由碳原子通过共价键连接形成的一维纳米材料，具有独特的结构和优异的物理化学性质。
碳纳米管具有良好的导电性，其电导率可以高于铜和银等金属，且具有良好的热稳定性和机械性能。
碳纳米管还具有高的比表面积和优异的化学稳定性，这使得它在许多领域，特别是在材料科学和纳米技术中，具有广泛的应用前景。
碳纳米管的制备方法主要有电弧放电法、化学气相沉积法（CVD）和激光烧蚀法等。
电弧放电法是最早用于制备碳纳米管的方法，通过在高真空环境中将石墨电极进行电弧放电，使碳原子在电弧的高温下蒸发并冷凝形成碳纳米管。
化学气相沉积法则是利用含碳气体在高温催化剂的作用下，通过热解或还原反应生成碳纳米管。
激光烧蚀法则是利用高能激光照射含碳目标，使碳原子蒸发并冷凝形成碳纳米管。
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收稿日期:2004-10-18基金项目:2004年度湖北省教育厅优秀中青年科技创新团队资助计划项目;武汉科技大学优秀中青年科技创新团队资助计划项目作者简介:袁观明,1978年出生,硕士研究生,主要从事碳纳米管改性及其树脂基复合材料的研究工作碳纳米管对环氧树脂力学性能的影响袁观明 李轩科 张铭金 吕早生 张光德( 武汉科技大学,武汉 430081)文 摘 用浇铸成型法制备了碳纳米管/环氧树脂复合材料,研究了其力学性能,并探讨了该材料的微观结构与性能之间的关系。
结果表明,碳纳米管对环氧树脂具有明显增强增韧作用。
在碳纳米管加入量为3.0%(质量分数)时,复合材料的综合性能较好,拉伸强度、拉伸模量及断裂伸长率较纯树脂分别提高了90%～100%、60%～70%、150%～200%。
关键词 碳纳米管,环氧树脂,复合材料Effect of Car bon N anotubes on t heM echanical Properti es of Epoxy Resi nYuan Guan m ing Li Xuanke Zhang M ing jin L üZaosheng Zhang G uangde(W uhan Unive rsity o f Sc i ence ＆T echno logy ,W uhan 430081)Abst ract Carbon nano t u be /epoxy co m posit e s a r e prepa r ed by cast -m o l d i n g m ethod .The m echan ica l pr oper -ties of the co m posit e s and the r e lationship bet w een the pr operties and the m icrostr ucture o f the co m po sites a r e inve s -tigated .The results sho w that str ength and toughness of epoxy resin a r e obviousl y i m proved w ith t h e addition of car -bon nano t u bes i n resin .The tensil e str ess -strain curves indicate t h at t h e m echan ica l pr ope rty of co m posit e s is be tter t h an tha t o f pu r e resin m atrix .The co m posit e w ith 3.0w t %car bon nano tube conten t has m uch higher value t h an t h at of pure r esi n ,90%～100%,h i g he r in tensile streng th ,60%～70%h i g he r in tensile m odalus and 150%～200%higher i n breaking e longa tion .SE M i m ages ana l y ses of the frac t u re section o f the co m posite disp l a y tha t the add ition concen tration of carbon nanotubes in resin has a close rela tion w ith t h e m echan ica lp r opert y o f car bon nano -t u be /epoxy r e sin co m posit e s .K ey w ords Carbon nano t u bes ,Epoxy r esi n ,Co m po site 1 前言碳纳米管自从1991年被日本学者Iiji m a 发现以来[1],10多年来一直是世界科学研究的热点之一[2]。
碳纳米管在理论上是复合材料理想的功能和增强材料,其超强的力学性能和热稳定性可以极大地改善聚合物基复合材料的强度和韧性。
近年来,碳纳米管/聚合物纳米复合材料的研究已成为碳纳米管应用研究的一个新热点[3,4]。
固化后的环氧树脂通常较脆,耐疲劳性、耐热性、耐冲击性比较差,使其应用受到了一定的限制,因此对环氧树脂进行各种改性已成为该领域的重要研究课题[5～7]。
目前,国外已有不少关于用碳纳米管改善环氧树脂性能的报道。
如A llaou i [8]、Scha -dle r [9]、B reton[10]等用共混法制得了碳纳米管/环氧树脂复合材料,发现添加碳纳米管可以提高基体的力学性能,但是由于碳纳米管的分散性问题未能得到较好解决,导致复合材料的力学性能的提高幅度不大,甚至有所降低。
本文用浇铸成型法制备碳纳米管/环氧树脂复合材料,考察了材料的力学性能和断口形貌,并对碳纳米管的增强机理作了初步探讨,以期拓宽碳纳米管的应用研究。
2 实验2.1 碳纳米管的纯化将多壁碳纳米管(实验室采用化学气相沉积法自制)粗产物放在玛瑙研钵中研磨0.5h,然后取一定量样品转移至塑料烧杯中,加入一定浓度的氢氟酸超声振荡1h;将此混合溶液磁力搅拌24h;然后对其进行多次离心、洗涤,直至上层清液呈中性;此时得到的沉淀物在100℃下真空干燥10h。
最后将所得干燥样品研磨成细粉备用。
2.2 碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备以蓝星化工新材料股份有限公司无锡树脂厂生产的环氧树脂F-648、固化剂593B、稀释剂660A 为原料。
将碳纳米管分散在一定量稀释剂中,先磁力搅拌0.5h,然后超声振荡0.5h,最后加入60℃熔融的环氧树脂中,机械搅拌0.5h后抽真空脱除气泡。
待树脂冷却后加入一定量的固化剂,拌匀后再次抽真空除气泡,最后注入模具,室温固化24h。
2.3 复合材料力学性能测试用WAW-500C型微机控制电液伺服万能试验机(济南试金集团有限公司济南试验机厂制造),按GB/T2567—1995标准测试材料的拉伸性能。
恒定50kN外力,按5%输出,连续加载直至试样断裂。
每个数据取三根拉伸试样测试所得的平均值。
2.4 复合材料断口扫描分析采用Philips XL30T MP型扫描电子显微镜(SE M)对复合材料的拉伸断面进行表征。
将复合材料的拉伸断面切下,表面喷金后,用SE M观察其表面形貌。
3 结果与讨论3.1 碳纳米管的形貌图1为所用碳纳米管粗产物的SE M照片,图2为纯化后碳纳米管的TE M照片。
由图1可看出碳纳米管弯曲并且相互缠绕在一起,团聚成网状结构,且碳纳米管端头含有较少催化剂粒子;由图2可见纯化后碳纳米管缠绕程度有所降低,平均管径约10～30nm,长度约50μm,且催化剂粒子已基本去除。
图1 原始碳纳米管的SE M照片F i g.1 SE M i m ag e of raw MW NT s图2 纯化碳纳米管的TE M照片F i g.2 TE M i m age o f purified MW NT s3.2 复合材料的力学性能图3为添加不同质量分数的碳纳米管/环氧树脂复合材料的拉伸应力(载荷)—应变(位移)曲线。
图3 碳纳米管/环氧树脂复合材料的拉伸载荷—位移曲线F ig.3 T ensil e stress-strain curves o fca rbon nano t ube/epoxy co m po sites由图3可以看出:纯树脂基体(曲线①)下所包围的面积最小,受力后为典型的碎性断裂。
随着碳纳米管含量的增加,复合材料的应力—应变曲线下所包围的面积逐渐增大,说明复合材料的强度和韧性逐渐增加。
尤其是在1.0%、3.0%加入量时,曲线下包围的面积较大,出现了较长的韧性平台,这说明碳纳米管的添加量对复合材料的力学性能影响较大,适量的碳纳米管对环氧树脂既能增强又能增韧。
图4为碳纳米管添加量对复合材料力学性能的影响。
(a ) 断裂伸长率(b ) 拉伸强度 (c ) 弹性模量图4 碳纳米管添加量对复合材料力学性能的影响F i g .4 Infl uence ofMW NT s content on m echanica l properties of the composites由图4可见,随碳纳米管用量的增加,复合材料的弹性模量逐渐增大,拉伸强度以及断裂伸长率先增加后降低。
结合图3可以看出,在添加量为0.1%时(曲线②)就能起到明显的增强效果;在添加量为3.0%时(曲线⑤),材料的综合性能较好,拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率较纯树脂基体(曲线①)分别提高了90%～100%、60%～70%、150%～200%;但是在添加量达到5.0%(曲线⑥)以后,材料的断裂伸长率降低,拉伸强度与基体相比仍有增大的趋势,因加工方面的原因(如碳纳米管的加入使复合材料的黏度变大,流动性变差,气泡不能完全脱除等),使其增强增韧效果不佳。
也可能是随碳纳米管添加量的增大,碳纳米管缠绕在一起,外力作用不能使其在树脂基体中有效分散,局部团聚后形成应力集中点,成为断裂源,使复合材料力学性能降低。
3.3 复合材料的断口形貌碳纳米管/环氧树脂复合材料拉伸断面SE M 图如图5所示。
纯树脂[图5(a )]发生典型碎性断裂,断口平滑,裂纹呈直线型且有序均匀。
添加碳纳米管后,断口呈粗糙的碎云状形貌[图5(b )],且随碳纳米管含量的增大断口呈现许多高低不平的空洞状形貌[图5(c )、(d )],裂纹不再有序。
可能原因是碳纳米管的加入起到了承担外力且消耗断裂能量并阻止基体裂纹进一步扩展的作用,造成裂纹呈无序状分布。
还因为碳纳米管呈纳米级状态,比表面积很大导致与基体的界面连接更充分、更牢固,相互作用较强,从而使拉伸时作用在树脂上的负载通过界面转移到了碳纳米管上[4,9,11～13],最终使碳纳米管/环氧树脂复合体系的力学性能得到大幅度提高。
(a ) 添加量为0%(b ) 添加量为0.1%(c ) 添加量为3.0% (d ) 添加量为5.0%图5 碳纳米管/环氧树脂复合材料断口SE M 形貌 500×F ig .5 SE M m o rpho logy of fract u re s urface o f composit e w it h different w eightMWN T s4 结论采用浇铸成型法制备碳纳米管/环氧树脂复合材料能明显提高环氧树脂的力学性能,适量碳纳米管的添加能起到同时增强增韧基体材料的作用,且碳纳米管的添加量是影响复合材料力学性能的重要因素。