碳纳米纤维改性碳纤维多尺度增强环氧复合材料的研究

摘要

纳米复合材料是纳米科学技术与复合材料相结合的产物,被广泛的应用在电子电气、汽车、新能源材料和航空航天等工业领域。然而纳米材料在基体中难以均匀分散限制了其发展应用,针对这一问题,通过对纳米材料进行处理使其成为分散良好的宏观集合载体,再将其与基体复合制备复合材料,由于该宏观体呈类似纸张一样的膜状,称之为纳米纸。碳纳米纤维具有良好的电学、热学和力学性能,以及较低的成本,在纳米复合材料领域具有广泛的应用前景。与碳纳米纤维相比,碳纤维是一种尺度更大,更连续且具有优异机械性能的增强体材料,已被广泛应用于高性能结构复合材料当中。
　　本文首先以碳纳米纤维作为原料制备碳纳米纸。然后针对纳米纸自身机械强度不高的问题,利用CNF改性碳纤维制备多尺度增强体,并分别以纳米纸和CNF改性碳纤维作为增强相,以TDE-85环氧树脂作为基体制备具有导电特性的纳米复合材料。对所获得的纳米纸、CNF改性碳纤维多尺度增强体及其复合材料进行相关性能的表征。主要工作如下:
　　(1)采用真空抽滤、物理沉积的方法,制备碳纳米纸,探讨了不同分散工艺参数以及粘结剂的添加对所制备纳米纸的导电性能的影响。对制备工艺进行优化,制备四种不同碳纳米纤维含量的纳米纸,对其微观结构形貌以及电学性能进行表征分析,结果表明,其电阻率均小于74×10-2Ω?cm。
　　(2)采用浇注法制备纳米纸/环氧树脂复合材料,对复合材料的微观结构形貌、电学、热学及力学性能进行表征分析。结果表明当温度达到100℃左右时,复合材料的动态热机械性能开始迅速下降,温度达到290℃附近材料开始热分解。纳米纸的加入显著提高了复合材料的导电性能,其电阻率均小于4.4Ω?cm。
　　(3)设计制备了含有连续碳纤维织物的CNF改性碳纤维多尺度增强体,探讨了在制备过程中粘结剂的添加对增强体导电性能的影响。制备不同碳纳米纤维含量的四种增强体,并表征分析其微观结构形貌以及电学性能。与纳米纸相比,CNF改性碳纤维多尺度增强体的导电性能更为优异,其电阻率均小于3.4×10-2Ω?cm。
　　(4)测试制备得到的CNF改性碳纤维/环氧树脂复合材料。结果表明:CNF改性碳纤维的添加使复合材料的储能模量和导电性能有所提高,并且动态热机械性能从100℃左右开始迅速下降。复合材料的电阻率均小于8.3×10-2Ω?cm,具有优异的电学性能。

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第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 碳纳米纤维的研究背景和意义

1.3 碳纳米材料的分散工艺研究现状

1.4 纳米复合材料研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第2章 试验材料与测试方法

2.1 本文研究方案

2.2 主要试验材料及测试仪器

2.3 主要测试方法

第3章 碳纳米纸及其复合材料的研究

3.1 引言

3.2 碳纳米纸的制备方法及工艺参数优化

3.3 碳纳米纸的性能表征

3.4 纳米纸/环氧树脂复合材料的制备及其性能表征

3.5 本章小结

第4章 CNF改性碳纤维增强体及其复合材料的研究

4.1 引言

4.2 CNF改性碳纤维增强体的制备及其性能表征

4.3 CNF改性碳纤维/环氧树脂复合材料的制备及其性能表征

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢