碳納米管增強復合材料的制備與力學性能研究.pdf

1、碳納米管以其優(yōu)異的力學、熱學、光學和電學等性能成為聚合物基和金屬基復合材料理想的增強體。本論文以多壁碳納米管作為增強相，選擇環(huán)氧樹脂和Ti6Al4V作為基體，研究碳納米管的含量、長度和分散性對環(huán)氧樹脂基復合材料力學性能和斷裂行為的影響;分析了現有的復合材料彈性模量和斷裂韌性預測的模型的局限性，結合實驗結果，提出了適合于高含量碳納米管增強樹脂基復合材料彈性模量預測的Halpin-Tsai修正模型;選擇環(huán)氧樹脂和Ti6Al4V作為基體，制備

2、了碳納米管增強空心玻璃微珠/環(huán)氧樹脂三相固體浮力材料，分析了碳納米管對空心玻璃微珠/環(huán)氧樹脂固體浮力材料密度、壓縮性能和吸水性的影響;采用原位鑄造法，以碳納米管作為碳源，制備了TiC顆粒增強Ti6Al4V復合材料，研究碳納米管對TiC顆粒形貌、復合材料的顯微組織、力學性能和斷裂行為的影響及其增強機理。論文得出如下主要結論:
　　1.當多壁碳納米管的含量為0.3wt.％時，多壁碳納米管/環(huán)氧樹脂復合材料的彈性模量和斷裂韌性達到最大值

3、。高含量碳納米管容易產生團聚現象，導致復合材料的力學性能有所下降。增加多壁碳納米管的長度有利于載荷的有效傳遞，可以提高復合材料的力學性能。利用超聲波空化效應可以有效提高碳納米管的分散性，尤其當碳納米管含量較高時。碳納米管的添加使得裂紋的擴展受到阻礙，橋聯作用是碳納米管的主要增強機理。
　　2.通過對文獻的整理和分析，對經典的Halpin-Tsai模型進行了修正，引入的半經驗參數p隨著碳納米管含量的增加而增加。采用修正的Halpin

4、-Tsai模型預測碳納米管/聚合物復合材料的彈性模量的誤差僅為±5％，當碳納米管含量較高時，預測值與實驗值的誤差約為±10％，預測精度較原模型的預測值大幅提高。當聚合物基體為脆性材料，根據Griffith理論，假設聚合物基體及其復合材料的的應力應變曲線為直線，應變相同的條件下，可以利用修正的Halpin-Tsai模型預測碳納米管/聚合物復合材料的斷裂韌性，預測值與實驗結果的誤差僅為±10％左右。
　　3.添加0.3wt.％的多璧碳

5、納米管對空心玻璃微珠/環(huán)氧樹脂固體浮力材料的密度影響不大，但是當空心玻璃微珠含量為70vol.％時，由于混合物粘度升高，試樣制備過程中氣體不易排出，形成氣孔缺陷，使材料的實際密度小于理論密度。碳納米管具有良好的強化效應，使空心玻璃微珠/環(huán)氧樹脂固體浮力材料的壓縮強度提高了17～25％，而碳納米管阻礙裂紋的擴展是壓縮性能提高的主要原因。由于碳納米管和空心玻璃微珠的疏水性，固體浮力材料的吸水性隨著碳納米管的添加以及空心玻璃微珠含量的升高而降

6、低。固體浮力材料中的氣孔缺陷會導致材料吸水性大幅升高。
　　4.添加多壁碳納米管作為碳源，采用原位熔鑄法制備了TiC增強Ti6Al4V復合材料。多壁碳納米管的添加影響復合材料的凝固過程，可以減小晶粒尺寸，改變復合材料的凝固過程，抑制TiC枝晶的形成，TiC顆粒形貌由粗大的枝狀晶或等軸晶轉變?yōu)榧毿〉牡容S晶顆粒或長條狀。添加多壁碳納米管作為碳源試樣的抗拉強度與未添加多壁碳納米管的試樣相比提高了10.6％，而伸長率由1.41％降低至1.