气相生长纳米碳纤维/环氧树脂复合材料的制备及其功能化

摘要

为了更好地改善和优化环氧树脂性能，提高材料的力学性能和热学稳定性，并且赋予材料特殊的功能性，以性能优异的气相生长纳米碳纤维(VGCNFs)为填料，与环氧树脂进行复合，制备VGCNF/环氧树脂复合材料。为此，首先对VGCNFs的表面功能化进行了探索，并将功能化的VGCNFs作为增强材料，制备具有良好力学性能，同时兼具形状记忆性能和磁性能的环氧树脂基复合材料，为进一步优化环氧树脂复合材料的性能和拓宽应用范围提供参考。
　　原始的气相生长纳米碳纤维(raw-VGCNFs)在应用过程中极易团聚，且其表面呈惰性，使其在树脂基体材料中的分散性和界面结合性能较差，从而影响VGCNF/环氧树脂基复合材料的性能。为了改善VGCNFs在环氧树脂基体中的分散性及其与基体界面的结合性能，提高复合材料的力学性能，采用H2O2/HNO3对VGCNFs进行表面氧化处理，利用傅里叶红外光谱分析仪(FT-IR)，场发射电子扫描显微镜(FE-SEM)及万能材料试验机对材料的微观结构和力学性能测试与分析。结果表明:表面氧化处理后的VGCNFs，其表面接枝上了含氧功能性官能团。
　　为了赋予气相生长纳米碳纤维/环氧树脂复合材料更优异的力学性能并兼具多功能性，首先采用化学-热处理法，利用Co3O4对VGCNFs进行了修饰，得到了表面含有Co3O4的VGCNFs(Co3O4-VGCNFs)，采用了扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱仪以及X射线衍射仪对Co3O4-VGCNFs的表面形貌、表面官能团及晶型结构进行了表征分析。研究结果表明，在VGCNFs表面形成了具有良好晶型结构的Co3O4纳米粒子。其次，分别利用表面氧化处理的VGCNFs和Co3O4-VGCNFs为填料，制备VGCNF/环氧树脂复合材料，并分别对复合材料的微观形貌、拉伸强度、热稳定性、磁学性能及形状记忆性能进行了测试表征。结果表明，VGCNF/环氧树脂复合材料具有十分优异的性能。VGCNFs的加入有效地提高了环氧树脂的力学性能，当VGCNFs含量为0.5wt％时，表面氧化处理的VGCNF/环氧树脂复合材料和Co3O4-VGCNF/环氧树脂复合材料的拉伸强度比原始的VGCNF/环氧树脂分别提高了20.7％和44.6％;通过动态力学性能分析表明，复合材料的储能模量和玻璃化温度均得到了提高。同时，表面氧化处理的VGCNFs和Co3O4-VGCNFs增强环氧树脂复合材料的热稳定得到改善。
　　通过对VGCNF/环氧树脂复合材料的功能性研究表明，表面氧化处理的VGCNFs和Co3O4-VGCNFs增强的环氧树脂复合材料显示了良好的形状记忆性能，且复合材料的形状恢复率较高。Co3O4-VGCNF/环氧树脂复合材料具有一定的磁性能，其饱和磁强度和矫顽力分别为0.0429emug-1和0.75kOe，表明制备的VGCNFs增强的环氧树脂复合材料在具有良好热力学性能的同时，实现了多功能性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 气相生长纳米碳纤维

1．1．1 气相生长纳米碳纤维的生长机理

1．1．2 气相生长纳米碳纤维的结构和性能

1．1．3 气相生长纳米碳纤维的表面改性

1．1．4 气相生长纳米碳纤维的应用及前景

1．2 环氧树脂

1．2．1 环氧树脂的性能

1．2．2 环氧树脂基纳米复合材料

1．3 功能性复合材料

1．3．1 形状记忆复合材料

1．3．2 磁性复合材料

1．4 论文研究的目的和意义

1．5 论文的主要内容

第二章 VGCNFs的表面氧化处理

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验材料及试剂

2．2．2 实验主要设备

2．2．3 试样的制备

2．2．4 试样的测试及表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 表面氧化处理对VGCNFs表面官能团的影响

2．3．2 表面氧化处理对VGCNFs微观形貌的影响

2．3．3 表面氧化处理对VGCNFs在溶液中分散性的影响

2．4 本章小结

第三章 Co3O4修饰VGCNFs纳米材料的制备

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料及试剂

3．2．2 实验主要设备

3．2．3 试样的制备

3．2．4 试样的测试及表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 Co3O4-VGCNFs的结构

3．3．2 Co3O4-VGCNFs的热性能

3．4 本章小结

第四章 VGCNF／环氧树脂复合材料的功能性

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料及试剂

4．2．2 实验主要设备

4．2．3 试样的制备

4．2．4 试样的表征与测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 VGCNFs在环氧树脂中的微观形态

4．3．2 VGCNF／环氧树脂复合材料的热稳定性

4．3．3 VGCNF／环氧树脂复合材料的力学性能

4．3．4 Co3O4-VGCNF／环氧树脂材料的磁性能

4．3．5 VGCNF／环氧树脂复合材料的形状记忆性能

4．4 本章小结

第五章 结论与建议

5．1 结论

5．2 建议

参考文献

硕士期间发表的文章

致谢