纳米碳纤维的表面处理及其聚合物复合材料的性能研究

摘要

纳米碳纤维是通过裂解气相碳氢化合物制备的一种非连续石墨纤维，是近年来兴起的一种新型亚微米增强材料。准一维结构的纳米碳纤维不仅具有气相生长碳纤维所具有的特性，而且在结构、性能和应用等方面与碳纳米管相似，其优异的物理和化学性能是制备高性能聚合物基复合材料和功能复合材料的理想材料。但纳米碳纤维间较强的相互作用导致其在聚合物基体中难于分散，限制了其应用。本文从纳米碳纤维的表面处理出发，对纳米碳纤维复合材料的力学性能、电学性能、电阻-应变特性及其增强增韧机理和应变传感机理等进行了较为系统的研究，主要获得了以下几个方面的研究成果： (1)采用浓硫酸/浓硝酸混合酸(体积比为3:1)处理、等离子处理及60Coγ-射线处理等三种方法对纳米碳纤维进行了表面处理。研究结果表明，上述方法均能降低纳米碳纤维缠结程度，减少残留的催化剂颗粒和杂质，并在纳米碳纤维表面引入了一定数量的羰基和羧基等官能团，从而改善纳米碳纤维在环氧树脂基体中的分散状况及其与基体树脂的界面结合状况，在较大程度上提高复合材料的断裂韧性。其中，等离子处理效果最佳，当纳米碳纤维含量为0.5wt％时，采用等离子处理制备的纳米复合材料的断裂韧性较纯环氧树脂提高44.6％，较未处理纳米碳纤维/环氧树脂复合材料提高25.3％。 (2)根据高韧性天然贝壳类材料微观结构的启示，采用有机蒙脱土和多壁碳纳米管混杂对环氧树脂进行增韧，发现有机蒙脱土和多壁碳纳米管对环氧树脂具有协同增韧和增强的作用。X-ray衍射和SEM研究结果表明多壁碳纳米管和纳米有机蒙脱土片层在树脂体系中能够形成类似贝壳类材料平面互锁结构的相互穿插结构。多壁碳纳米管和纳米有机蒙脱土协同增韧增强环氧树脂的主要原因是微裂纹增韧、剪切屈服和纤维拔出。 (3)采用四引线法对纳米碳纤维/环氧树脂复合材料的电性能进行了研究。研究表明，复合材料的电阻率随纳米碳纤维含量的增加呈几何级数递减，其渗滤区域在0.1％～0.2wt％之间；在0.2～1.2μA的电流范围内，纳米碳纤维/环氧树脂复合材料的电阻基本不受外加电流和电压的影响，总体上符合欧姆定律；且纳米碳纤维/环氧树脂复合材料在升温和降温过程中均呈现出PTC效应和NTC效应，并具有良好的回复稳定性。 (4)采用四点弯曲法和循环拉伸法研究了纳米碳纤维/环氧树脂复合材料的电阻-应变特性。发现纳米碳纤维/环氧树脂复合材料具有良好的静态应变传感特性，随着纤维含量的增加，纳米碳纤维/环氧树脂复合材料传感器的线性度上升，灵敏度下降；石墨的混杂改善了纳米碳纤维/环氧树脂复合材料传感器的线性关系，同时降低了灵敏度；纳米碳纤维的酸化处理和辐照处理提高了纳米碳纤维/环氧树脂复合材料传感器的稳定性与重复性，且酸化处理的效果优于辐照处理。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1纳米碳纤维的研究进展

1.1.1概述

1.1.2碳纳米管与纳米碳纤维的研究历程

1.2碳纳米管与纳米碳纤维的结构与性能

1.2.1碳纳米管与纳米碳纤维的结构

1.2.2碳纳米管与纳米碳纤维的性能

1.3碳纳米管与纳米碳纤维的制备与形成机理

1.3.1纳米碳纤维的制备

1.3.2碳纳米管与纳米碳纤维的形成机理

1.4纳米碳纤维/聚合物基复合材料的成型及特性

1.4.1纳米碳纤维的表面处理

1.4.2纳米碳纤维/聚合物复合材料的成型

1.4.3纳米碳纤维/聚合物复合材料的力学性能研究进展

1.4.4纳米碳纤维/聚合物复合材料的电学性能研究进展

1.4.5纳米碳纤维/聚合物复合材料的传感特性研究进展

1.4.6纳米碳纤维/聚合物基复合材料研究存在的主要问题

1.5本论文的目的和研究内容

第2章 不同处理方式对纳米碳纤维表面形态与结构的影响

2.1前言

2.2实验部分

2.2.1原材料

2.2.2纳米碳纤维的浓酸氧化处理

2.2.3纳米碳纤维的等离子体处理

2.2.4纳米碳纤维的Co60γ射线处理

2.2.5结构表征

2.3实验结果与讨论

2.3.1酸化处理对CNFs表面形态及官能团的影响

2.3.2等离子处理对CNFs表面形态及官能团的影响

2.3.3辐照处理对CNFs表面形态及官能团的影响

2.4小结

第3章 纳米碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能

3.1前言

3.2实验部分

3.2.1实验原材料

3.2.2复合材料的制备

3.2.3测试与表征

3.3结果与讨论

3.3.1纳米碳纤维在环氧树脂基体中的分散状况

3.3.2纳米碳纤维含量对环氧树脂复合材料力学性能的影响

3.3.3纳米碳纤维含量对环氧树脂复合材料断裂韧性的影响

3.3.4表面处理对纳米碳纤维/环氧树脂体系流变性的影响

3.3.5表面处理对纳米碳纤维/环氧树脂复合材料断裂韧性的影响

3.4小结

第4章 纳米碳纤维/蒙脱土协同增韧环氧树脂

4.1前言

4.2实验部分

4.2.1原材料

4.2.2试样制备

4.2.3 X-ray衍射分析

4.2.4流变性能分析

4.2.5断裂韧性测试

4.2.6 SEM分析

4.3实验结果与讨论

4.3.1多壁碳纳米管/有机蒙脱土/环氧树脂体系的流变特性

4.3.2多壁碳纳米管/有机蒙脱土/环氧树脂复合材料的固化特性

4.3.3有机蒙脱土含量对复合材料微观结构的影响

4.3.4有机蒙脱土和多壁碳纳米管混杂对复合材料微观结构的影响

4.3.5多壁碳纳米管/有机蒙脱土/环氧树脂复合材料的力学性能

4.3.6协同增韧机理分析

4.4小结

第5章 纳米碳纤维/环氧树脂复合材料的电学性能

5.1前言

5.2实验部分

5.2.1原材料

5.2.2试样制备

5.2.3性能测试与表征

5.3实验结果与讨论

5.3.1纳米碳纤维的含量对电阻率的影响

5.3.2欧姆特性分析

5.3.3温阻特性分析

5.3.4力阻特性分析

5.4小结

第6章 纳米碳纤维/环氧树脂复合材料的电阻-应变特性

6.1前言

6.2实验部分

6.2.1原材料

6.2.2传感器试样制作

6.2.3四点弯曲法实验过程

6.2.4循环拉伸法实验过程

6.3实验结果与讨论

6.3.1纳米碳纤维/环氧树脂复合材料的应变传感特性

6.3.2石墨/纳米碳纤维混杂对复合材料应变传感特性的影响

6.3.3表面处理对纳米碳纤维/环氧树脂复合材料应变传感特性的影响

6.3.4纳米碳纤维/环氧树脂复合材料的应变传感机理

6.4小结

第7章 总结及展望

7.1本论文的主要结论

7.2需要进一步开展的工作

参考文献

致谢

读博期间发表的论文与参加的科研项目