多壁碳纳米管/环氧树脂复合机敏材料的性能及制备工艺研究

摘要

在当前社会背景下提高土木工程的信息化水平对土木工程的未来发展具有重要意义。土木工程信息化既包括技术开发的信息化，也包括管理的信息化。而其中极为重要的一部分即为结构的健康监测。环氧树脂种类繁多，其性能可通过不同的固化反应以及各种改性剂进行灵活调节，能够适应各种不同的工程条件。且环氧树脂造价低廉、固化收缩小、加工成型容易、养护龄期短、力学性能优良、耐腐蚀强、耐热性好，以环氧树脂为基材制作机敏材料并进行结构的健康监测具有很大优越性。针对该复合材料，本文主要进行了如下研究:
　　(1)原材料的选择。通过比较粘-温曲线，得出E51比E44更适合作为基体材料;通过紫外-可见光谱分析，得出DMF作为环氧树脂的溶剂更有利于碳纳米管的分散;采用紫外-可见光谱分析的方法，得出L-MWNT-2040更加容易分散。
　　(2)分散工艺。通过测试在不同超声功率、超声时间、超声作用方式以及混合液用量下的分散效果并综合考虑仪器性能得出了最佳的超声参数:超声功率为60％，超声作用的方式为3s/3s，超声时间为30min，单次环氧树脂用量为150g。分析了温度以及溶剂用量对分散效果的影响，试验结果表明混合液温度越高，分散效果越差，且当DMF用量为10％时，更有利于MWCNTs的分散。分析了分散液的存放问题，通过分析时间以及温度对分散液分散效果的影响，得出温度以及时间对分散液的稳定性有影响但影响不大，其中温度越高，稳定性越差，随着存放时间的增长。
　　(3)固化工艺。分析了固化剂的用量、常温固化和后固化的时间对固化物的显微硬度的影响。得出了最优的DETA用量，即环氧树脂用量的9％;得到了最佳的固化流程，即常温负压固化9h，后固化2h。
　　(4)力学性能。分析了复合材料在承受压力作用下的破坏过程，得出复合材料的弹性极限约为45MPa，弹性模量约为1GPa到2GPa;对复合材料的滞弹性进行了分析，结果表明复合材料承受的荷载越大，其应变的滞后性越明显，当荷载较小时，材料滞弹性不明显。(5)复合材料机敏性。测量了不同浓度下复合材料的电阻率变化，得出复合材料的渗流阈约为0.5wt％到0.8wt％;通过分析不同MWCNTs浓度的复合材料在循环荷载逐级加载下电阻率的变化得出:复合材料中MWCNTs的浓度越低，复合材料的灵敏度越好;复合材料的电阻变化率-时间曲线中的噪音与MWCNTs浓度有关，浓度越低噪音越多。通过分析复合材料在温度循环作用下电阻率的变化，得出复合材料的电阻率随着温度的升高或降低相应地增加或减少。此外，本文测试了水分对电阻率的影响，结果表明环境中的水分对复合材料电阻率的影响可以忽略不计。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．2 研究背景与意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 机敏材料研究现状

1．3．2 CNTs／EP复合材料的研究现状

1．4 研究内容

1．4．2 EP的固化工艺

1．4．3 CNTs／EP力学性能

1．4．4 CNTs／EP机敏性能

1．4．5 技术路线

2．1 实验原料

2．2 主要仪器

2．3 分散工艺及原料选取

2．3．1 环氧树脂

2．3．2 溶剂的选择

2．3．3 碳纳米管的选择

2．3．4 超声参数

2．3．5 混合液温度与溶剂用量的影响

2．3．6 分散液的存放

2．4 固化工艺

2．4．1 环氧树脂固化简述

2．4．2 固化流程的确定

2．5 本章小结

第三章 复合材料力学性能

3．1 主要实验仪器

3．2 应力-应变曲线

3．3 滞弹性分析

3．4 本章小结

第四章 复合材料的机敏性能

4．1 主要实验仪器

4．2 试件制作

4．3 渗流曲线

4．4 复合材料压敏性测试

4．4．1 压敏性测试方法

4．4．2 试验结果分析

4．5 温度的影响

4．6 水分的影响

4．7 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 未来展望

5．3 本文创新点

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表成果