弱磁場誘導下碳納米管-環(huán)氧樹脂復合材料的結構與性能.pdf

1、由于有序結構材料具有一些新的功能特性,因而制備微觀結構上排列組織規(guī)則的新材料成為近年來研究的熱點。碳納米管(CNTs)具有獨特的電子結構,其物理、化學方面的性能優(yōu)良,是一種理想的增強材料,并且在各個領域中的應用研究己引起各國科學家的普遍關注。如何使CNTs在聚合物中取向是在CNTs/聚合物復合材料的研究領域中的全新課題,該方面的研究完全是處于起步階段。與雜亂無序的CNTs相比有序排列的CNTs能夠提供更加優(yōu)良的性能。具有一維形狀的CNT

2、s在聚合物基體中有序排列對CNTs/聚合物復合材料的電學、力學以及熱學性能有很大的影響。環(huán)氧樹脂(EP)是一種常用的熱固性樹脂,其在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應用;將 CNTs填充到環(huán)氧樹脂中可以提高CNTs/ EP復合材料的性能,從而使環(huán)氧樹脂的應用范圍更加廣泛。
　　本工作采用了磁場誘導排列的方法來解決CNTs在環(huán)氧樹脂中的取向性問題,從而制備高性能的有序化排列 CNTs/EP復合材料。在通常以磁場作為加工手段的研究中,存在一個現(xiàn)象

3、就是使用到的磁場都是超強磁場,由于價格比較昂貴并且不易操作控制,這在普通的實驗設備中是難以達到的,故本工作使用了一種普通的弱磁場(B<500mt)來進行磁場誘導排列。然后通過對CNTs的分散性試驗以及復合材料的微結構、電學性能、力學性能和熱學性能的測試,研究了磁場誘導對復合材料性能的提高所帶來的影響規(guī)律以及CNTs在環(huán)氧樹脂基體中的取向機制和相互作用機理。本論文的研究內(nèi)容分為四個部分。
　　第一部分是弱磁場誘導對CNTs作用的可行

4、性分析。通過對所用的CNTs進行X射線衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)分析,可知CNTs上負載有Ni粒子,具有很強的磁性,并且在弱磁場中很容易發(fā)生運動,故具有可行性。而且發(fā)現(xiàn)CNTs的分散性越好,磁場誘導的效果越差。
　　第二部分的主要研究內(nèi)容是通過不斷的優(yōu)化工藝條件,采用溶液共混法制備出了不同濃度有序化排列的CNTs/EP復合材料。利用SEM、數(shù)字超高電阻微電流測量儀、阻抗分析儀、沖擊試驗機、萬能拉伸試驗機、差示掃描量熱

5、儀(DSC)和熱重分析儀(TGA)等對復合材料結構形態(tài)、導電性能、介電性能、力學性能和熱學性能進行表征,結果表明:磁場誘導后CNTs以鏈式棒狀結合物的形式發(fā)生了有序化排列,在基體中形成了一種相互連通的增強網(wǎng)絡結構;CNTs/EP復合材料的導電性有明顯的提高,在 CNTs含量為2％時體積電阻率降低了2個數(shù)量級;復合材料的介電性能在103~106Hz頻率范圍內(nèi)明顯提高;對CNTs含量為3%的CNTs/EP復合材料進行力學性能測試,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過磁

6、場誘導能一定程度提高復合材料的沖擊強度和彎曲模量,但是彎曲強度下降;磁場誘導后CNTs的含量為3%的CNTs/EP復合材料玻璃化轉變溫度(Tg)較純EP提高了11.4℃,較未誘導前提高了6.1℃,但是對復合材料的熱穩(wěn)定性(TID)影響作用不明顯。
　　第三部分的主要研究內(nèi)容是考察影響磁場的因素,包括不同的磁場方向(垂直磁場和平行磁場)、磁場強度、磁場寬度和磁場高度對CNTs/EP復合材料性能的影響,對磁場誘導這種方法做系統(tǒng)的研究。

7、結果表明:磁場方向?qū)秃喜牧系男阅苡休^大影響。垂直磁場誘導時,CNTs以一種鏈式棒狀的聚集形態(tài)產(chǎn)生了有序化排列,在EP基體中形成了良好的導電網(wǎng)絡(增強網(wǎng)絡),復合材料的導電性能、相對介電常數(shù)、介電損耗、沖擊強度、彎曲強度、彎曲模量、Tg、TID都提高了;平行磁場誘導時CNTs排列雜亂無序,并有嚴重的團聚現(xiàn)象,導致復合材料的電學性能比無磁場誘導時還要差,并且復合材料的抗沖擊能力和Tg也會下降,但彎曲強度、彎曲模量和TID增加了;在垂直磁場

8、誘導情況下,磁場寬度越大,模具腔體容量越大,CNTs在其中越容易流動,磁場作用下CNTs在流動過程中更容易進行取向排列,磁場誘導的效果也越好,復合材料的電學性能最好,此時減弱磁場強度,磁場誘導效果變差,則使復合材料的體積電阻率、相對介電常數(shù)、介電損耗、沖擊強度、Tg下降,但此時復合材料的彎曲強度、彎曲模量以及TID會發(fā)生提高。
　　第四部分的主要研究內(nèi)容是采用水熱法對CNTs進行了PVP表面修飾,然后在磁場誘導條件下制備出各種不同

9、種類的PVP-CNTs/EP復合材料,進一步研究弱磁場作用對改性CNTs/EP復合材料結構形態(tài)、電學性能、力學性能和熱學性能所帶來的影響。結果表明:經(jīng)過PVP表面修飾的CNTs在丙酮中的分散性得到了大大改善;CNTs經(jīng)過PVP改性后,磁場誘導只有在高含量時才對PVP-CNTs/EP復合材料的導電性提高有效果;由于PVP是一種高分子化合物,接枝CNTs后增強了與EP中分子鏈的結合作用,加入3%含量的PVP-CNTs復合材料的Tg較純EP的

10、有顯著提高,提高量分別是無磁場時的10.6℃和磁場誘導時的12.9℃,并且磁場誘導后CNTs含量為3%的PVP-CNTs/EP復合材料的Tg較未誘導前提高2.3℃;在磁場誘導作用下,由于CNTs改性后PVP包裹在了CNTs表面,結構上的完整性被破壞,故與EP復合后導致PVP-CNTs/EP復合材料的導電性、介電性能、沖擊強度、彎曲強度和彎曲模量較原始CNTs/EP復合材料差很多;磁場誘導條件下,丙酮作為溶劑制備的PVP-CNTs/EP復