弱磁场诱导下碳纳米管/环氧树脂复合材料的结构与性能

摘要

由于有序结构材料具有一些新的功能特性,因而制备微观结构上排列组织规则的新材料成为近年来研究的热点。碳纳米管(CNTs)具有独特的电子结构,其物理、化学方面的性能优良,是一种理想的增强材料,并且在各个领域中的应用研究己引起各国科学家的普遍关注。如何使CNTs在聚合物中取向是在CNTs/聚合物复合材料的研究领域中的全新课题,该方面的研究完全是处于起步阶段。与杂乱无序的CNTs相比有序排列的CNTs能够提供更加优良的性能。具有一维形状的CNTs在聚合物基体中有序排列对CNTs/聚合物复合材料的电学、力学以及热学性能有很大的影响。环氧树脂(EP)是一种常用的热固性树脂,其在工业生产中有着广泛的应用;将 CNTs填充到环氧树脂中可以提高CNTs/ EP复合材料的性能,从而使环氧树脂的应用范围更加广泛。
　　本工作采用了磁场诱导排列的方法来解决CNTs在环氧树脂中的取向性问题,从而制备高性能的有序化排列 CNTs/EP复合材料。在通常以磁场作为加工手段的研究中,存在一个现象就是使用到的磁场都是超强磁场,由于价格比较昂贵并且不易操作控制,这在普通的实验设备中是难以达到的,故本工作使用了一种普通的弱磁场(B<500mt)来进行磁场诱导排列。然后通过对CNTs的分散性试验以及复合材料的微结构、电学性能、力学性能和热学性能的测试,研究了磁场诱导对复合材料性能的提高所带来的影响规律以及CNTs在环氧树脂基体中的取向机制和相互作用机理。本论文的研究内容分为四个部分。
　　第一部分是弱磁场诱导对CNTs作用的可行性分析。通过对所用的CNTs进行X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析,可知CNTs上负载有Ni粒子,具有很强的磁性,并且在弱磁场中很容易发生运动,故具有可行性。而且发现CNTs的分散性越好,磁场诱导的效果越差。
　　第二部分的主要研究内容是通过不断的优化工艺条件,采用溶液共混法制备出了不同浓度有序化排列的CNTs/EP复合材料。利用SEM、数字超高电阻微电流测量仪、阻抗分析仪、冲击试验机、万能拉伸试验机、差示扫描量热仪(DSC)和热重分析仪(TGA)等对复合材料结构形态、导电性能、介电性能、力学性能和热学性能进行表征,结果表明:磁场诱导后CNTs以链式棒状结合物的形式发生了有序化排列,在基体中形成了一种相互连通的增强网络结构;CNTs/EP复合材料的导电性有明显的提高,在 CNTs含量为2％时体积电阻率降低了2个数量级;复合材料的介电性能在103~106Hz频率范围内明显提高;对CNTs含量为3%的CNTs/EP复合材料进行力学性能测试,发现经过磁场诱导能一定程度提高复合材料的冲击强度和弯曲模量,但是弯曲强度下降;磁场诱导后CNTs的含量为3%的CNTs/EP复合材料玻璃化转变温度(Tg)较纯EP提高了11.4℃,较未诱导前提高了6.1℃,但是对复合材料的热稳定性(TID)影响作用不明显。
　　第三部分的主要研究内容是考察影响磁场的因素,包括不同的磁场方向(垂直磁场和平行磁场)、磁场强度、磁场宽度和磁场高度对CNTs/EP复合材料性能的影响,对磁场诱导这种方法做系统的研究。结果表明:磁场方向对复合材料的性能有较大影响。垂直磁场诱导时,CNTs以一种链式棒状的聚集形态产生了有序化排列,在EP基体中形成了良好的导电网络(增强网络),复合材料的导电性能、相对介电常数、介电损耗、冲击强度、弯曲强度、弯曲模量、Tg、TID都提高了;平行磁场诱导时CNTs排列杂乱无序,并有严重的团聚现象,导致复合材料的电学性能比无磁场诱导时还要差,并且复合材料的抗冲击能力和Tg也会下降,但弯曲强度、弯曲模量和TID增加了;在垂直磁场诱导情况下,磁场宽度越大,模具腔体容量越大,CNTs在其中越容易流动,磁场作用下CNTs在流动过程中更容易进行取向排列,磁场诱导的效果也越好,复合材料的电学性能最好,此时减弱磁场强度,磁场诱导效果变差,则使复合材料的体积电阻率、相对介电常数、介电损耗、冲击强度、Tg下降,但此时复合材料的弯曲强度、弯曲模量以及TID会发生提高。
　　第四部分的主要研究内容是采用水热法对CNTs进行了PVP表面修饰,然后在磁场诱导条件下制备出各种不同种类的PVP-CNTs/EP复合材料,进一步研究弱磁场作用对改性CNTs/EP复合材料结构形态、电学性能、力学性能和热学性能所带来的影响。结果表明:经过PVP表面修饰的CNTs在丙酮中的分散性得到了大大改善;CNTs经过PVP改性后,磁场诱导只有在高含量时才对PVP-CNTs/EP复合材料的导电性提高有效果;由于PVP是一种高分子化合物,接枝CNTs后增强了与EP中分子链的结合作用,加入3%含量的PVP-CNTs复合材料的Tg较纯EP的有显著提高,提高量分别是无磁场时的10.6℃和磁场诱导时的12.9℃,并且磁场诱导后CNTs含量为3%的PVP-CNTs/EP复合材料的Tg较未诱导前提高2.3℃;在磁场诱导作用下,由于CNTs改性后PVP包裹在了CNTs表面,结构上的完整性被破坏,故与EP复合后导致PVP-CNTs/EP复合材料的导电性、介电性能、冲击强度、弯曲强度和弯曲模量较原始CNTs/EP复合材料差很多;磁场诱导条件下,丙酮作为溶剂制备的PVP-CNTs/EP复合材料的导电性能、介电性能、弯曲性能和玻璃化温度(Tg)均强于二氯甲烷溶剂作溶剂所制备的复合材料,故在此体系中丙酮作为溶剂比二氯甲烷更合适。

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第一章 绪论

§1.1碳纳米管的研究及应用

§1.2 环氧树脂

§1.3 碳纳米管/聚合物复合材料的研究

§1.4 磁场诱导研究进展与发展展望

§1.5 本课题的提出及研究意义

第二章 磁场诱导对碳纳米管作用的可行性分析

§2.1 实验部分

§2.2 结果与讨论

§2.3 本章小结

第三章 磁场诱导不同浓度有序碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备和性能

§3.1实验部分

§3.2 结果与讨论

§3.3 本章小结

第四章 不同磁场类型诱导有序碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备和性能

§4.1 实验部分

§4.2 结果与讨论

§4.3 本章小结

第五章 磁场诱导PVP改性碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备和性能

§5.1 实验部分

§5.2 结果与讨论

§5.3 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果