磁场诱导MWCNTs-Fe3O4改性环氧树脂及碳纤维复合材料研究

摘要

近年来，由于碳纤维价格下降、低温固化基体和成型工艺的创新，使得碳纤维复合材料在众多领域得到广泛的应用，其优异的力学性能吸引了人们的高度的关注。但碳纤维复合材料层间性能较差，如何有效地提高其层间性能一直都是人们研究的热点和重点。利用有序的增强体对基体进行改性可获得一些特殊的性能，而碳纳米管优异的力学性能被视为理想的增强材料，其中利用碳纳米管垂直取向增强碳纤维复合材料层间性能的研究不多。本文对酸处理后的碳纳米管进行磁性粒子负载改性，再利用磁场对磁性碳纳米管诱导取向，研究取向碳纳米管对环氧树脂性能和碳纤维复合材料层间性能的影响及其增强机理。具体研究结果如下： 第一部分研究了碳纳米管负载磁性Fe3O4纳米粒子的表面改性。利用浓硝酸对原始碳纳米管进行纯化处理，可以有效地溶解碳纳米管当中的杂质，IR分析表明在碳纳米管表面成功引入羟基、羧基和羰基活性基团。制备磁性碳纳米管时，当多壁碳纳米管(MWCNTs)和乙酰丙酮铁用量配比为0.1g:0.2g时，选择反应条件为240℃+2h效果最佳，利用XRD、SEM、TEM对改性碳纳米管分析结果表明纳米Fe3O4粒子包覆效果均匀，纯度高、粒径均匀，晶粒尺寸在22nm左右。通过改变乙酰丙酮铁和多壁碳纳米管的配比能够实现对纳米Fe3O4粒子的包覆密度、晶粒尺寸进行调控。负载磁性纳米 Fe3O4粒子的碳纳米管(MWCNTs-Fe3O4)饱和磁化强度高达100.9emu/g，这使MWCNTs-Fe3O4能够对较弱磁场(≤0.12T)良好响应。 第二部分研究了碳纳米管改性环氧树脂性能。探究不同碳纳米管含量和有无磁场诱导对环氧树脂性能的影响。断裂韧性数据表明，碳纳米管改性和磁场诱导磁性碳纳米管取向对不同环氧树脂韧性都要提高。相比于纯E-51环氧树脂，无磁场下，添加0.75wt%MWCNTs断裂韧性最好，KIC、GIC分别提高15%和32.7%，有磁场下，添加1wt%MWCNTs-Fe3O4断裂韧性最佳，KIC、GIC分别提高34.1%和80%，而磁场诱导比无磁场诱导最大KIC、GIC分别提高了16.7%、35.7%；相比于纯RIMR-135环氧树脂，无磁场下，添加0.75wt%MWCNTs时断裂韧性最好，KIC、GIC分别提高54.3%和138%，有磁场下，添加1.5wt%MWCNTs-Fe3O4时断裂韧性最佳，KIC、GIC分别提高94%和276.8%，而磁场诱导比无诱导最大KIC、GIC分别提高25.8%、58.2%。通过SEM分析了碳纳米管和磁场诱导对环氧树脂断裂韧性增强的机理。本文所考察碳纳米管含量范围内，碳纳米管对环氧树脂的导电、介电常数、介电损耗和热稳定性影响不大。 第三部分研究了磁场诱导磁性碳纳米管对碳纤维复合材料层间性能的影响。黏度数据表明，RIMR-135体系在常温下的黏度为331.1mPa.s、凝胶时间大于2h，适用于真空辅助树脂传递模塑(VARTM)成型。无磁场和有磁场使碳纤维拔出剪切强度分别提高了13.4%、29.9%，双悬臂梁法剪切强度(DCB)分别提高了7.1%、28.8%，三点弯曲式短梁剪切强度(SBS)分别提高了14%、23%。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

§1.1碳纤维复合材料概述

§1.2碳纤维复合材料层间改性研究

§1.3碳纳米管增强层间性能

§1.4本课题的提出及研究内容

第二章 磁性碳纳米管的制备

§2.1引言

§2.2实验部分

§2.3结果与讨论

§2.4小结

第三章 碳纳米管/E-51环氧树脂复合材料性能研究

§3.1引言

§3.2实验部分

§3.3结果与讨论

§3.4小结

第四章 碳纳米管/RIMR-135环氧树脂复合材料性能研究

§4.1引言

§4.2实验部分

§4.3结果讨论

§4.4小结

第五章 碳纳米管/环氧树脂/碳纤维复合材料性能研究

§5.1引言

§5.2实验部分

§5.3结果与讨论

§5.4小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间的主要研究成果