碳纳米管、碳纤维表面改性及MWNTs/P(VDF-TrEE)复合材料性能研究

摘要

碳纳米管及碳纤维具有优异的性能,可以作为高性能复合材料的增强体而成为研究的热点。但是二者的表面均缺少活性官能团,与复合材料的相容性较差,成为制约二者应用的一个重要因素。为改善复合材料的界面性能,我们对二者进行了表面改性,并研究了改性对于复合材料性能的影响。
　　 机电转换领域使用的电活性高分子为获得高输出弹性能密度和较大形变量,需要较高的介电常数。我们通过超声混酸处理的方法对多壁碳纳米管进行了改性,通过红外表征发现改性后的碳纳米管表面产生了极性基团。利用溶液铸膜法制备了不同含量的MWNT/P(VDF-TrFE)薄膜,使用SEM观察薄膜断口发现,改性后碳纳米管与基体相容性更好。介电性能研究表明,碳纳米管具有很低的逾渗阈值。在逾渗阈值附近,碳纳米管填料的加入使得材料的介电常数有了显著提高。未处理的碳纳米管添加的复合材料介电常数在100Hz达到497,处理后的达到705,为基体的50倍。
　　 碳纤维表面惰性,与基体粘结性差,限制了复合材料性能的提高。为改善这种情况,我们通过超声氧化方法以及环氧氯丙烷接枝的方法改性碳纤维。超声氧化处理对纤维有刻蚀作用,在纤维表面产生极性基团,提高了与极性介质的浸润性。界面剪切强度研究发现处理后强度上升了33％,但纤维的拉伸强度下降。环氧氯丙烷接枝后的碳纤维界面剪切强度更高而且使碳纤维本身强度也得到提高,达到了预期中的不伤害碳纤维本身强度而提高界面性能的目的。

目录

文摘

英文文摘

图表清单

第一章 绪论

1.1 碳纳米管结构与性质

1.1.1 碳纳米管的结构

1.1.2 碳纳米管的性能

1.2 碳纳米管表面改性方法

1.2.1 表面物理改性

1.2.2 表面化学改性

1.2.3 表面非共价改性

1.3 电活性高分子简介

1.3.1 电活性高分子概念以及分类

1.3.2 电活性高分子研究进展

1.3.3 机电转换领域对EAP材料的要求

1.3.4 逾渗理论

1.3.5 碳纳米管填充聚合物基高介电常数复合材料

1.4 碳纤维简介

1.4.1 碳纤维的发展概述

1.4.2 碳纤维结构与性能

1.5 碳纤维表面改性的研究现状

1.5.1 气相氧化法

1.5.2 液相氧化法

1.5.3 电化学阳极氧化法

1.5.4 表面涂层法

1.5.5 等离子体改性

1.6 复合材料界面

1.6.1 复合材料中界面的形成

1.6.2 复合材料中界面理论

1.7 本文的研究目的与内容

第二章 实验部分

2.1 MWNTs/P(VDF-TrFE)复合材料制备

2.1.1 主要试剂以及设备

2.1.2 MWNTs改性实验

2.1.3 MWNTs/P(VDF-TrFE)复合材料制备

2.2 MWNTs/P(VDF-TrFE)复合材料性能表征

2.2.1 FT-IR分析

2.2.2 SEM分析

2.2.3 DSC分析

2.2.4 介电性能分析

2.3 超声氧化法改性碳纤维

2.3.1 主要试剂及设备

2.3.2 超声氧化法改性步骤

2.4 碳纤维表面环氧氯丙烷改性

2.4.1 实验方案的讨论

2.4.2 主要试剂及设备

2.4.3 环氧氯丙烷改性步骤

2.5 碳纤维性能表征

2.5.1 纤维表面SEM

2.5.2 激光Raman光谱

2.5.3 表面羧基含量滴定

2.5.4 盐酸丙酮法滴定环氧基团

2.5.5 浸润性实验

2.5.6 碳纤维复丝拉伸强度

2.5.7 界面剪切强度

第三章 MWNTs/P(VDF-TrFE)薄膜介电性能研究

3.1 前言

3.2 FT-IR分析

3.3 SEM分析

3.4 DSC分析

3.5 介电性能分析

3.6 本章小结

第四章 碳纤维表面改性及其性能

4.1 前言

4.2 超声氧化法改性碳纤维

4.2.1 纤维表面SEM

4.2.2 激光Raman光谱分析

4.2.3 表面羧基含量变化

4.2.4 碳纤维浸润性分析

4.2.5 复丝拉伸强度分析

4.2.6 碳纤维界面剪切强度分析

4.3 环氧氯丙烷改性碳纤维

4.3.1 环氧基团含量变化

4.3.2 纤维表面形貌分析

4.3.3 激光Raman光谱分析

4.3.4 浸润性实验

4.3.5 力学性能分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文工作总结

5.2 全文工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

在学期间主要参加的科研项目