贝壳微粉改性环氧树脂复合材料的制备及性能研究

摘要

贝壳是一种廉价易得的天然生物纳米复合材料，而且具有较高的强韧性，是一种天然的无机一有机杂化材料。本论文将这种材料作为高性能热固性树脂一环氧树脂的填料，利用偶联剂和煅烧等手段对贝壳微粉进行处理，制得刚性粒子改性的环氧树脂基复合材料，并对制得材料的基本力学性能、摩擦性能和微观结构进行了系统研究。 首先利用傅立叶变换红外光谱仪、x射线衍射仪和元素分析仪分别考察了天然贝壳粉经过偶联剂处理前后和不同温度煅烧以后的活性基团变化、晶型转换和碳元素定量分析。研究证明贝壳粉中存在有机成分，且以氨基酸和铵盐为主，占主要部分的无机碳酸钙发生了文石向更有利于解理的方解石晶型的转化，700℃时有机成分已基本煅烧完全，此温度为其主要转折点。然后利用超声波和偶联剂处理的方法，制备了各种比例的天然贝壳微粉和多种温度煅烧后的贝壳粉改性环氧树脂基复合材料。 考察了环氧树脂复合材料体系的固化动力学，表明复合体系能在更低的温度下发生固化反应，而且反应更平稳；通过对复合材料的基本力学性能研究表明，材料的韧性均有不同程度的改善，加有偶联剂的普通贝壳粉改性体系(BA)的增韧效果好于未加偶联剂的体系(BB)，两体系均在3﹪时达到最佳增韧效果；没加偶联剂的煅烧贝壳粉体系(SB)耐冲击效果好于加有偶联剂的体系(SA)，两体系700℃时达到增韧的最大值，其中SB最大值较纯环氧提高了57.8﹪。在韧性得到明显改善的同时，保持了较高的强度。 扫描电镜照片证实颗粒在基体中得到了均匀分散，断口形貌更加粗糙，表现出韧性断裂的形貌特征；贝壳粉的加入提高了材料耐湿性能。 摩擦性能研究表明各体系的减摩性能都得到了提高，BA体系的减摩效果最明显，其最低摩擦系数较纯环氧树脂下降了33﹪；在磨损方面，BA、BB两体系均有较好的抗磨效果，其最低磨损率分别较纯环氧树脂下降了19﹪和16﹪；SA体系抗磨效果较差，SB体系在700℃时出现最低值，较纯环氧下降了16﹪。根据扫描电镜的摩擦面形貌特征推测了材料的磨损机制。 显微硬度值与材料的摩擦性能表现出较好的吻合性。硬度值大的材料摩擦系数小，体积磨损率也小；反之亦然。 利用正电子湮没技术，通过测定体系的正电子湮没寿命τ<,3>、湮没强度I<,3>和相对自由体积分数f<,app>，从微观角度探讨了宏观性能变化的原因和机理。 正电子湮没测定表明：各体系的正电子湮没寿命τ<,3>均没有大的变化。各体系的湮没强度I<,3>变化均呈下降趋势。但下降程度SA>SB，偶联剂的存在造成了SA与SB之间的差别。各体系的相对自由体积分数f<,app>变化趋势和湮没强度I<,3>的变化趋势一致。正电子湮没技术探测了材料的界面作用和微观结构。 综合以上性能，加有偶联剂的普通贝壳粉(BA)改性环氧树脂基复合材料综合性能最好，另在SB体系中的700℃点表现出优异的综合性能。分别从颗粒分散、偶联剂对界面作用的影响、颗粒本身的性能变化以及材料的微观结构角度对复合材料各种性能变化的原因进行了探讨。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章论文综述

第二章：贝壳微粉/环氧树脂复合材料的制备

第一节贝壳微粉的制备及表征

2.1.1贝壳的结构

2.1.2贝壳微粉的制备

2.1.3贝壳粉的表征

第二节环氧树脂复合材料的制备

2.2.1实验原料

2.2.2贝壳微粉/环氧树脂复合材料的制备

第三节本章小结

参考文献

第三章贝壳微粉/环氧树脂复合材料的基本性能

第一节实验部分

第二节结果与讨论

3.2.1固化动力学分析

3.2.2力学性能分析

3.2.3 SEM断口形貌观察

3.2.4吸湿性能测定

第三节本章小结

参考文献

第四章：贝壳微粉/环氧树脂复合材料摩擦学研究

第一节实验部分

第二节结果与讨论

4.2.1摩擦磨损性能分析

4.2.2磨损机制分析

4.2.3显微硬度分析

第三节本章小结

参考文献

第五章环氧树脂基复合材料的正电子谱学研究

第一节实验部分

第二节结果与讨论

第三节本章小结

参考文献

第六章全文总结

6.1本论文的主要研究内容：

6.2本论文所得到的主要结论：

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