二氧化硅納米粒子-碳納米管雜化納米增強體的制備及其對CFRP增強效應的研究.pdf

1、碳纖維樹脂基復合材料因具有輕質(zhì)高強等優(yōu)點被廣泛應用于航天航空、體育器械等軍事與民用領域。碳納米管因其獨特的結構具有極大的韌性、超高的強度等優(yōu)異性能，是復合材料最理想的增強材料，能明顯改善纖維復合材料的界面性能及整體力學性能。然而，碳納米管分散性和界面結合差等缺點極大地限制其應用范圍，且碳納米管的增強機制也有待深入研究。本文采用多步化學接枝方法成功制備了由零維二氧化硅納米粒子/一維碳納米管組成的雜化納米增強體(SiO2-MWCNTs)，系

2、統(tǒng)研究了納米增強體的分散性和界面結合及其對碳纖維復合材料的協(xié)同增強效應，同時結合理論計算揭示了納米增強體對碳纖維復合材料的增強機制，為碳纖維復合材料的實際工程應用提供了重要的理論指導和實驗數(shù)據(jù)。
　　 基于多步化學接枝方法依次對多壁碳納米管進行混酸氧化、硅烷偶聯(lián)劑硅烷化、二氧化硅納米粒子負載等表面化學修飾。采用紅外光譜(FTIR)、熱失重(TGA)、光電子能譜(xPS)、掃描電鏡(SEM)以及透射電鏡(TEM)等手段對化學修飾后

3、的碳納米管進行表征，結果表明成功制備了羧基化碳納米管(c-MWCNTs)、環(huán)氧基化碳納米管(MWCNTs-C2H3O)、氨基化碳納米管(MWCNTs-NH2)以及二氧化硅納米粒子/碳納米管雜化納米增強體(SiO2-MWCNTs)。
　　 系統(tǒng)研究了化學修飾碳納米管的分散性和界面結合性能及其對環(huán)氧樹脂基體和碳纖維復合材料力學性能的影響規(guī)律。力學測試表明在加入功能化的MWCNTs-C2H3O、MWCNTs-NH2后，環(huán)氧樹脂澆注體的

4、拉伸和彎曲強度均有提高。含有MWCNTs、MWCNTs-C2H3O、MWCNTs-NH2和SiO2-MWCNTs的環(huán)氧樹脂的拉伸模量分別提高了7.7％、8.0％、8.6％和21.0％，彎曲模量分別提高了1.7％、3.5％、3.7％和11.8％。官能化碳納米管增強的CF/EP單向復合材料的彎曲強度分別增加了3.7％、14.1％、19.5％和27.7％，彎曲模量分別增加了18.5％、21.4％、30.8％和33.3％。CF/EP單向復合材料

5、的層間剪切強度則分別增加了7.5％、9.3％、9.9％和15.3％。同時CF/EP纏繞復合材料筒體的壓縮模量分別提高了38.3％、46.2％、56.0％和60.3％。結合復合材料微觀形貌觀察分析表明，由于增強體SiO2-MWCNTs在樹脂基體及碳纖維復合材料中分散均勻且界面結合優(yōu)異，二氧化硅納米粒子增大了碳納米管的增強界面，使雜化納米增強體具有明顯的橋聯(lián)作用，提高了樹脂和纖維間的界面結合力，使應力更好的傳遞給增強纖維。
　　 基

6、于雜化納米增強體的幾何形狀特征，修正了傳統(tǒng)的混合定律與Halpin-Tsai方程，建立了基于代表性體積單元(RVE)模型的有限元方法(FEM)，系統(tǒng)研究了雜化納米增強體對碳纖維復合材料的增強機制。研究表明，修正的Halpin-Tsai方程相比于修正的混合定律能較好的預測規(guī)則納米增強體的增強效應。有限元方法預測的力學性能結果與實驗值最為接近，誤差約為3.6％在，表明基于RVE模型的有限元方法能準確預測非規(guī)則幾何形狀納米增強體的增強效應，對