纳米粘土/炭改性碳纤维/环氧树脂复合材料的制备及其性能研究

摘要

本文以天然粘土埃洛石和蒙脱石为模板,壳聚糖为碳源,水热制备粘土/炭复合材料。将粘土/炭添加于碳纤维增强环氧树脂基复合材料中,探讨粘土/炭的添加对碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能、动态热机械性能和导热性能的影响。主要内容如下:
　　(1)埃洛石为模板,壳聚糖为碳源,调节二者质量比水热制备埃洛石/炭(HNT/C)纳米复合材料。以埃洛石/炭为添加剂,通过热压工艺制备含埃洛石/炭的碳纤维/环氧树脂复合材料。结果发现:壳聚糖发生水热炭化反应,埃洛石表面均匀沉积炭,炭层厚度为10-30nm,且埃洛石/炭中含有-CH、C=C、C=O和-NH等有机官能团。当壳聚糖和埃洛石的质量比为1∶2时,相对于不含添加剂,添加埃洛石/炭复合材料的弯曲强度和弯曲模量分别提高了19.2％和31.6％,储能模量和导热系数也分别提高了20.4％和113％,增强效果明显优于埃洛石和水热炭。这是由于埃洛石和表面炭层的“协同效应”促进了埃洛石/炭在环氧树脂中的分散,增大了HNT/C和环氧树脂间的接触面积;埃洛石/炭表面的氨基也能与环氧树脂发生化学反应,增强埃洛石/炭和环氧树脂间的界面结合,从而促进应力和热量的传递。进一步提高埃洛石/炭表面的碳含量,埃洛石/炭在环氧树脂中趋于团聚,复合材料的力学性能和导热性能有所降低。
　　(2)以蒙脱石为模板,壳聚糖为碳源,水热制备蒙脱石/炭(MMT/C)纳米复合材料。蒙脱石/炭中负载一定量的炭,并含有丰富的-CH、C=C、C=O和-HN等有机官能团。壳聚糖和蒙脱石的质量比为1∶2时,相对于不含添加剂,添加蒙脱石/炭复合材料的弯曲强度和弯曲模量分别提高了12.4％和17.1％,增强效果明显优于蒙脱石原矿。蒙脱石和表面炭的“协同效应”促进了蒙脱石/炭在环氧树脂中的分散,增大了MMT/C和环氧树脂间的接触面积。此外,蒙脱石/炭中的氨基官能团与环氧树脂通过发生化学反应,增强蒙脱石/炭和环氧树脂间的界面结合,促进载荷和热量在蒙脱石/炭和环氧树脂间的传递。
　　(3)同时添加埃洛石/炭和蒙脱石/炭至环氧树脂中,一维结构的HNT/C连接相邻二维结构的MMT/C,阻止了MMT/C之间的相互堆叠;而且,片状的MMT/C隔离相邻的HNT/C,抑制了HNT/C的二次团聚。因此,HNT/C和MMT/C更易在环氧树脂中形成HNT/C-MMT/C三维网状结构,提高两者在环氧树脂中的分散性,增大两者与环氧树脂的接触面积,促进载荷、热应力和热量在添加剂和环氧树脂间的传递。当HNT/C和MMT/C质量比为4∶1时,相对于不含添加剂,复合材料的弯曲强度和弯曲模量分别提高了25.9％和35.3％,储能模量和导热系数也分别提高了24.1％和159.8％,明显优于两者单独添加的改性效果。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．3 碳纤维/环氧树脂复合材料的改性研究

1．3．1 碳纤维表面改性

1．3．2 环氧树脂基体改性

1．3．3 纳米粒子增韧环氧树脂机理

1．4．1 埃洛石和蒙脱石的性质及应用

1．4．2 粘土/炭复合材料

1．5 研究思路与内容

1．5．1 研究思路

1．5．2 研究内容

第二章 实验

2．1．2 实验仪器

2．2 实验方法

2．3．3 场发射透射电子显微镜(FETEM)

2．3．4 场发射扫描电子显微镜(FESEM)

2．3．5 元素分析(EA)

2．4 性能表征

2．4．1 弯曲性能测试

2．4．3 导热性能测试

第三章 埃洛石/炭改性碳纤维/环氧树脂复合材料的制备与性能

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．2 埃洛石/炭改性碳纤维/环氧树脂复合材料的制备

3．3 结果与讨论

3．3．1 埃洛石/炭的结构与形貌

3．3．2 胶体稳定性

3．3．3 碳纤维/环氧树脂复合材料的断面形貌

3．3．4 复合材料的密度和体积分数

3．3．5 埃洛石/炭对复合材料弯曲性能的影响

3．3．6 埃洛石/炭对复合材料DMA性能的影响

3．3．7 埃洛石/炭对复合材料导热性能的影响

3．4 本章小结

第四章 埃洛石/炭-蒙脱石/炭协同改性碳纤维/环氧树脂复合材料的制备与性能

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．2 蒙脱石/炭改性碳纤维/环氧树脂复合材料的制备

4．2．3 埃洛石/炭-蒙脱石/炭改性碳纤维/环氧树脂复合材料的制备

4．3 结果与讨论

4．3．1 蒙脱石/炭的结构与形貌

4．3．2 蒙脱石/炭对复合材料性能的影响

4．3．3 埃洛石/炭-蒙脱石/碳协同对复合材料性能的影响

4．4 本章小节

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士期间的学术活动及成果情况