环氧树脂纳米复合材料韧性和粘接性能的研究

摘要

环氧树脂是一种典型的热固性材料，具有良好的力学性能，在工业中得到了广泛应用。特别的，碳纤维增强环氧树脂(carbon fiberreinforcedepoxy，CF/EP)复合材料是航空工业中一种重要的结构材料。然而，未经过改性的环氧树脂韧性较差，导致 CF/EP复合材料容易发生层间开裂和纤维分层，是阻碍环氧树脂应用和发展的关键。所以，提高环氧树脂的本体韧性和 CF/EP复合材料的层间韧性是一直亟待解决的问题。近年来有很多工作采用添加纳米填料来改善上述性能，但发现虽然环氧树脂的本体韧性可以被大幅提高，但该韧性难以在 CF/EP复合材料中得到充分发挥，层间韧性仍有待进一步提高。同时，环氧树脂的广泛应用还得益于其良好的粘接性能，但有关湿热环境和疲劳载荷对环氧复合材料粘接性能影响的研究还不是很全面。针对以上问题，本文使用短碳纤维、石墨烯、碳纳米管-短碳纤维等填料增韧环氧本体的同时对CF/EP复合材料进行层间增韧，并研究了湿热环境和疲劳载荷对环氧树脂复合材料粘接性能的影响，具体工作如下。
　　分别使用短碳纤维(SCFs)和石墨烯填料提高环氧树脂的本体韧性。石墨烯通过在700oC空气中热还原氧化石墨烯制得。在环氧树脂基体中添加2.5wt.％的SCFs能使本体的断裂韧性和断裂能量释放率分别提高142%和367%；添加1.0wt.%的石墨烯在增加本体的断裂能量释放率(~150%)的同时使热膨胀系数降低~30%。本章针对环氧树脂本体增韧的研究为下两章CF/EP复合材料的层间增韧奠定了基础。
　　生长碳纳米管(CNTs)的SCF(CNT-SCFs)有效提高了环氧树脂基体的本体韧性向CF/EP层间韧性的转移率，并极大的提高了CF/EP复合材料的层间韧性。首先通过火焰法在微米尺寸的 SCFs上生长纳米尺寸的 CNTs，然后分别使用多级增韧体系CNT-SCFs和未生长CNT的SCFs层间增韧CF/EP复合材料。实验结果对比表明，仅使用SCFs层间增韧CF/EP复合材料时，SCFs/环氧树脂的本体韧性并不能得到有效发挥。当SCFs表面生长CNTs后，即使在较低的面密度(1.0mg/cm2)情况下，CF/EP复合材料的I型层间韧性(GIC)相比对照组增加了125%(1.17kJ/m2)，并且CNTs与SCFs有良好的协同增韧效应。通过SEM表征等分析，发现该协同增韧效应来自于CNTs从基体拔出时吸收的断裂能，以及CNTs改善了SCFs与环氧基体的界面强度。
　　使用石墨烯层间增韧 CF/EP复合材料，获得了良好的韧性转移率及更佳的增韧效果，并且实现了裂纹的在线监测。将半固化的石墨烯/环氧树脂复合材料置于CF/EP复合材料的中间层，发现在CF/EP复合材料中不仅石墨烯/环氧树脂基体的本体韧性得到了有效发挥，并且石墨烯改善了碳纤维与环氧基体的界面强度，使GIC得到了显著提升(140%)。同时将裂纹长度与在线同步测得的电阻/电流信号相联系，建立了二者变化值之间的函数关系，实现了在线监测裂纹在CF/EP复合材料中的扩展。
　　使用纳米填料提高环氧树脂的粘接强度，并完善了湿热环境和疲劳载荷对环氧复合材料粘接性能影响的研究。基于课题组对环氧树脂纳米复合材料本体各项机械性能的研究，对三种纳米填料分别改性环氧树脂的粘接强度进行了研究，其粘接性能均优于未改性的环氧粘胶。选择纳米二氧化硅填料进一步研究动态载荷以及湿热环境对环氧树脂复合材料粘接性能的影响。结果显示经过相同的湿热环境处理后，添加了纳米二氧化硅的环氧树脂粘胶仍保持比纯环氧树脂更优的粘接性能。在循环载荷下，当试件未经过湿热环境处理时，纳米二氧化硅改性的环氧树脂粘胶较纯环氧的疲劳寿命更长；但经过湿热环境处理后，复合材料并没有明显的优势。

目录

声明

1 绪论

1.1环氧树脂基纳米复合材料

1.2环氧树脂纳米复合材料本体增韧

1.3碳纤维增强环氧树脂(CF/EP)复合材料层间增韧

1.4环氧树脂纳米复合材料粘接性能

1.5论文选题与研究内容

2 短碳纤维或石墨烯增韧环氧树脂本体

2.2实验部分

2.3短碳纤维/环氧树脂复合材料

2.4石墨烯/环氧树脂复合材料

2.5本章小结

3 碳纳米管-短碳纤维层间增韧CF/EP复合材料

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

4 石墨烯层间增韧CF/EP复合材料及裂纹在线监测

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4复合材料裂纹在线监测

4.5本章小结

5 纳米填料增强环氧树脂的粘接强度

5.2实验部分

5.3结果与讨论

5.4本章小结

6 全文总结与研究展望

6.2研究展望

致谢

参考文献

附录1 作者在攻读博士学位期间发表的论文