碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料的制備與力學(xué)性能研究.pdf

1、碳納米管以其優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和電學(xué)等性能成為聚合物基和金屬基復(fù)合材料理想的增強(qiáng)體。本論文以多壁碳納米管作為增強(qiáng)相，選擇環(huán)氧樹脂和Ti6Al4V作為基體，研究碳納米管的含量、長(zhǎng)度和分散性對(duì)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能和斷裂行為的影響;分析了現(xiàn)有的復(fù)合材料彈性模量和斷裂韌性預(yù)測(cè)的模型的局限性，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了適合于高含量碳納米管增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料彈性模量預(yù)測(cè)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(qiáng)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(duì)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(qiáng)Ti6Al4V復(fù)合材料，研究碳納米管對(duì)TiC顆粒形貌、復(fù)合材料的顯微組織、力學(xué)性能和斷裂行為的影響及其增強(qiáng)機(jī)理。論文得出如下主要結(jié)論:
　　1.當(dāng)多壁碳納米管的含量為0.3wt.％時(shí)，多壁碳納米管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的彈性模量和斷裂韌性達(dá)到最大值

3、。高含量碳納米管容易產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能有所下降。增加多壁碳納米管的長(zhǎng)度有利于載荷的有效傳遞，可以提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。利用超聲波空化效應(yīng)可以有效提高碳納米管的分散性，尤其當(dāng)碳納米管含量較高時(shí)。碳納米管的添加使得裂紋的擴(kuò)展受到阻礙，橋聯(lián)作用是碳納米管的主要增強(qiáng)機(jī)理。
　　2.通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的整理和分析，對(duì)經(jīng)典的Halpin-Tsai模型進(jìn)行了修正，引入的半經(jīng)驗(yàn)參數(shù)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(yù)測(cè)碳納米管/聚合物復(fù)合材料的彈性模量的誤差僅為±5％，當(dāng)碳納米管含量較高時(shí)，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的誤差約為±10％，預(yù)測(cè)精度較原模型的預(yù)測(cè)值大幅提高。當(dāng)聚合物基體為脆性材料，根據(jù)Griffith理論，假設(shè)聚合物基體及其復(fù)合材料的的應(yīng)力應(yīng)變曲線為直線，應(yīng)變相同的條件下，可以利用修正的Halpin-Tsai模型預(yù)測(cè)碳納米管/聚合物復(fù)合材料的斷裂韌性，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差僅為±10％左右。
　　3.添加0.3wt.％的多璧碳

5、納米管對(duì)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(dāng)空心玻璃微珠含量為70vol.％時(shí)，由于混合物粘度升高，試樣制備過(guò)程中氣體不易排出，形成氣孔缺陷，使材料的實(shí)際密度小于理論密度。碳納米管具有良好的強(qiáng)化效應(yīng)，使空心玻璃微珠/環(huán)氧樹脂固體浮力材料的壓縮強(qiáng)度提高了17～25％，而碳納米管阻礙裂紋的擴(kuò)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(huì)導(dǎo)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(qiáng)Ti6Al4V復(fù)合材料。多壁碳納米管的添加影響復(fù)合材料的凝固過(guò)程，可以減小晶粒尺寸，改變復(fù)合材料的凝固過(guò)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(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶顆粒或長(zhǎng)條狀。添加多壁碳納米管作為碳源試樣的抗拉強(qiáng)度與未添加多壁碳納米管的試樣相比提高了10.6％，而伸長(zhǎng)率由1.41％降低至1.