碳納米管含量及分散性對(duì)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料導(dǎo)電性及力學(xué)性能的影響.pdf

1、本文通過在環(huán)氧樹脂基體中加入碳納米管或巴基紙（Buckypaper）插層與碳纖維形成多相增強(qiáng)體系，研究了表面活性劑、碳納米管含量及表面化學(xué)官能團(tuán)對(duì)碳納米管在環(huán)氧樹脂中分散性和環(huán)氧復(fù)合材料導(dǎo)電性能的影響，進(jìn)一步研究了胺基改性碳納米管的含量和Buckypaper插層對(duì)碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料導(dǎo)電性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律。
　　本文首先開展了多壁碳納米管（MWCNTs）在環(huán)氧樹脂中的分散性研究。采用高速剪切分散、超聲乳化分散及添加表面活性劑

2、等手段將不同基團(tuán)表面化學(xué)改性的碳納米管分散在環(huán)氧樹脂中，通過光學(xué)顯微鏡觀察碳納米管在基體中的分散性。結(jié)果表明，在一定分散時(shí)間內(nèi)，高速剪切分散和超聲乳化分散提高了碳納米管在樹脂中的分散性；離子型表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉或非離子型表面活性劑Triton X-100的加入，使得碳納米管在樹脂中的分散性得到顯著改善；相比不改性碳納米管，—COOH、—OH及—NH2等表面化學(xué)官能團(tuán)改性碳納米管在樹脂中更容易均勻分散，其中MWCNTs-NH2的分

3、散性最好。
　　本文制備了不同含量及表面化學(xué)官能團(tuán)的碳納米管增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，并開展了復(fù)合材料導(dǎo)電性能的研究。結(jié)果表明，相比不含表面活性劑或含聚氧乙醚辛炔二酸酯表面活性劑，十二烷基苯磺酸鈉表面活性劑修飾的碳納米管更加有效地提高了復(fù)合材料的導(dǎo)電性能；相比其他3種碳納米管，胺基改性碳納米管增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有更加優(yōu)異的導(dǎo)電性能；添加碳納米管后，環(huán)氧樹脂電導(dǎo)率顯著增加，表明碳納米管在樹脂中形成有效的、連續(xù)的電子導(dǎo)通網(wǎng)絡(luò)。在碳納米

4、管含量約為0.5 wt％至2 wt%時(shí)，隨著碳納米管含量的增加，復(fù)合材料電導(dǎo)率呈指數(shù)提高，但當(dāng)含量超過2 wt%之后電導(dǎo)率增加趨勢(shì)變緩，表明碳納米管的團(tuán)聚作用對(duì)導(dǎo)電性能的影響逐漸增強(qiáng)。
　　本文進(jìn)一步開展了碳納米管-碳纖維/環(huán)氧樹脂單向?qū)雍习辶W(xué)性能和導(dǎo)電性能的研究。結(jié)果表明，添加碳納米管有效改善了復(fù)合材料的彎曲性能、層間性能及導(dǎo)電性能。相比碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，當(dāng)MWCNTs-NH2添加量為2.0 wt%時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度提

5、高了21.2%，彎曲模量提高了15.9%；當(dāng)MWCNTs-NH2添加量為1.5 wt%時(shí)，復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度提高了7.3%；當(dāng)MWCNTs-NH2添加量為2.0 wt%時(shí)，復(fù)合材料縱向的電導(dǎo)率提高約5倍，橫向的電導(dǎo)率提高約10倍。
　　由于碳納米管具有大的長徑比和表面自由能，極易在樹脂中形成團(tuán)聚，難以均勻分散，從而限制了其在樹脂中的添加量。Buckypaper是碳納米管的宏觀集合體，將其作為插層加入到纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料中，

6、有望在提高碳納米管添加量的同時(shí)保持良好的分散性。因此，本文還制備了Buckypaper-碳纖維/環(huán)氧樹脂單向?qū)雍习?，研究?Buckypaper插層對(duì)單向纖維復(fù)合材料力學(xué)性能和導(dǎo)電性能的影響。掃描電鏡結(jié)果表明，復(fù)合材料彎曲斷口處存在大量碳納米管，碳納米管分散均勻，保持了 Buckypaper原有結(jié)構(gòu)的完整性。力學(xué)性能和導(dǎo)電性能測(cè)試結(jié)果表明，相比碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，5層Buckypaper的加入，使得碳纖維/環(huán)氧樹脂單向?qū)雍习鍙?fù)合材

7、料的層間剪切強(qiáng)度提高了6.9%，復(fù)合材料縱向電導(dǎo)率提高了約2倍，橫向電導(dǎo)率提高了約2個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　探討了碳納米管的加入對(duì)碳纖維/環(huán)氧單向?qū)雍习鍖?dǎo)電性能的影響機(jī)制，主要為復(fù)合材料體系中存在兩種導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，一是碳纖維之間相互搭接形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，二是碳納米管之間相互搭接形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。碳納米管的加入不僅自身形成了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，而且通過碳納米管在碳纖維之間的橋聯(lián)作用提高了復(fù)合材料中碳纖維之間的搭接點(diǎn)數(shù)目，形成更多的電子導(dǎo)通網(wǎng)絡(luò)，從而提高了復(fù)合材料