CNT海绵增强形状记忆聚合物复合材料的制备及性能研究

摘要

随着航空航天等领域的高速发展，研究者们对于材料性能的要求也日渐苛刻。为了满足这一需求，智能材料的研制成为重要的发展方向之一，形状记忆材料作为智能材料的宠儿而备受关注。
　　但一直以来增强体在形状记忆聚合物中的均匀良好分散与联通是个大问题，同时双向回复与快速回复是巨大挑战。针对以上面临的两个问题，本文以提升形状记忆聚合物复合材料中碳纳米管联通与分散为途径，从形状记忆聚合物复合材料微结构出发，基于跨尺度设计思想，采用灌注模式对碳纳米管海绵增强形状记忆聚合物复合材料进行设计、制备、表征与驱动机制分析。同时以提升形状记忆聚合物复合材料响应速度以及双向驱动为目标，对以上复合材料的物理状态，化学状态以及性能进行了表征，分析与阐述了复合材料的形状记忆驱动机制。其主要内容如下：
　　为使碳纳米管能够良好的分散在形状记忆聚合物中，而不形成团聚。本文采用化学气相沉积法制备了具有良好分散特性的三维宏观体海绵，并经SEM，TEM对CNT海绵进行了微观形貌的表征，得到碳纳米管海绵其实是由直径20nm，壁厚5nm的碳纳米管互相联通的多孔网络结构。并对其比表面积及宏观性能导电率进行表征，结果表明碳纳米管海绵是比表面积为35m2/g，导电率为364.6S/m导电性宏观体材料。
　　本文采取浸灌法将形状记忆聚合物灌注到碳纳米管海绵当中，并通过梯度固化法制备出质量分数为97.8％、密度为0.1g/cm3的复合材料。SEM表征表明了复合材料中碳纳米管之间相互搭接联通的结构。通过电学性能表征，表明了复合材料的电导率为123.5S/m。
　　通过对不同响应电压下单向复合材料的响应时间研究，揭示了随着电压的升高，复合材料响应时间变短，最终在加载电压为17V之后响应时间不变这一规律。同时用红外热成像机研究复合材料表面温度分布，分析形状记忆复合材料快速驱动的机制。其快速响应时间在8s以内。DMA表征实验表明复合材料的最高储能模量为2.96GPa，比纯形状记忆聚合物提高0.6GPa。复合材料的玻璃转化温度为98.9℃，比纯形状记忆聚合物提高8.1℃。复合材料的回复力为14.07N，比纯形状记忆聚合物提高11.3N。建立了双向电驱动形状记忆复合材料的模型同时构筑了该复合材料。揭示了随着电压变换周期的增加，双向电驱动复合材料的回复距离不断变大，并最终在电压变换周期为120s后回复距离不在改变的规律。制造了模仿生物界尺蠖运动的以0.8mm/min平稳速度前进的机器人。

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第1章绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2碳纳米管增强复合材料的研究现状

1.2.1 碳纳米管增强环氧树脂复合材料的制备

1.2.2 碳纳米管增强复合材料的电学性能

1.3形状记忆树脂的研究现状

1.3.1 形状记忆聚合物的背景与定义

1.3.2 形状记忆聚合物基复合材料

1.3.2.2形状记忆聚合物复合材料的应用

1.4本文的主要研究内容

第2章实验部分

2.1实验药品和测试仪器设备

2.2 碳纳米管海绵的具体制备过程

2.3形状记忆基复合材料的制备

2.4 双向电驱动形状记忆复合材料制备

2.5碳纳米管海绵的基本表征方法

2.5.1碳纳米管海绵的SEM表征

2.5.2碳纳米管海绵的TEM表征

2.5.3 碳纳米管海绵的BET比表面积表征

2.6形状记忆复合材料的表征方法

2.6.1形状记忆复合材料动态力学性能分析（DMA）

2.6.2形状记忆复合材热失重分析（TMA）

2.6.3红外热成像分析

第3章形状记忆复合材料的性能研究

3.1 碳纳米管海绵的表征和性能分析

3.1.1 碳纳米管海绵的制备

3.1.2 碳纳米管海绵的SEM及TEM表征

3.1.3 碳纳米管海绵的BET比表面积表征

3.1.4 碳纳米管海绵的导电性能表征

3.2形状记忆复合材料的制备及其性能表征

3.2.1形状记忆复合材料的制备

3.2.2形状记忆复合材料的SEM表征

3.2.4形状记忆复合材料的电学性能表征

3.3本章小结

第4章复合材料的电驱动行为及机制研究

4.1形状记忆复合材料的单向驱动研究

4.1.1 形状记忆复合材料的红外表征

4.1.2复合材料的不同电压下形状记忆性能研究

4.1.3 复合材料的形状记忆性能

4.2 复合材料的双向驱动研究

4.2.1双向电驱动复合材料的制备

4.2.2 双向电驱动复合材料的循环回复过程研究

4.2.3 机器人的制造及行进过程

4.3本章小结

结论

参考文献

声明

致谢