碳纳米材料填充环氧树脂复合材料的制备及其电磁屏蔽和力学性能研究

摘要

信息技术革命以来，电子设备与产品层出不穷，并被越来越多的人所使用。但是，这也会使得人们周边的电磁波越来越多，并逐渐危害到人们的身体健康。时至今日，电磁波的负面影响日益突显，并引起了人们的不断重视。因此，有关电磁屏蔽材料的研究也越来越多。本文主要是:一方面，以导电的石墨烯和磁性的羰基铁为填料，同时利用介电损耗和磁损耗来衰减电磁波，使复合材料获得优异的电磁屏蔽性能;另一方面，将石墨烯和碳纳米管等导电填料预先制备成三维网络结构的预制件并以其为填料，利用它们的三维网络结构使得复合材料在极低的填料含量下，就可以同时拥有优异的电磁屏蔽性能与力学性能。主要工作如下:
　　1、以热膨胀石墨烯(TGO)为导电填料，以羰基铁为磁性填料，以环氧树脂为基体，来制备复合材料。其中，不同搅拌方式（真空脱泡搅拌法、超声分散法和机械搅拌法）制备出来的复合材料在导电性能和电磁屏蔽性能等方面有着显著的差异。TGO的加入，不仅可以在复合材料中构建出相互连接的导电网络，而且可以阻止羰基铁的团聚和沉降，使羰基铁均匀地分散在复合材料中。羰基铁的加入，可以有效地提高复合材料的磁性能、磁导率和磁损耗，从而使其电磁屏蔽性能也得到了进一步地提高。相比于TGO（3wt％）/环氧树脂复合材料(～20 dB)，添加30 wt％不同形状羰基铁可以使得TGO(3wt％)/羰基铁/环氧树脂复合材料的电磁屏蔽性能得到不同程度地提高。其中，添加球形羰基铁的复合材料获得最高的电磁屏蔽性能（平均电磁屏蔽效能为36dB，最高值可以达到40 dB）。
　　2、以甲阶酚醛树脂和氧化石墨烯为原料，采用水热法，制备了具有三维网络结构的酚醛树脂修饰的石墨烯气凝胶(p-GA)。然后，以其为填料，采用真空辅助法将环氧树脂灌入其中制得了复合材料。研究结果表明，甲阶酚醛树脂的加入，可以使得p-GA的三维网络结构更加的完善和牢固。扫描电镜图和透射电镜图显示，p-GA在灌入环氧树脂制备成复合材料的前后都可以保持良好的三维网络结构。随着碳化温度的提高，p-GA的本征电导率越来越高，密度和在复合材料中所占的质量分数越来越低，所对应的复合材料的导电性能和电磁屏蔽性能也越来越好。其中，p-GA-1300/环氧树脂复合材料，在填料含量仅为0.33 wt％时，就可以获得优异的导电性能(73 S·m-1)和电磁屏蔽性能(35 dB)。除此以外，甲阶酚醛树脂的含量更高，p-GA的三维网络结构就更加完善和牢固，对应的复合材料的弯曲性能也就更好。其中，甲阶酚醛树脂的添加量为30 mg·ml-1时制得的p-GA(1∶30)可以使得对应的复合材料的弯曲强度和弯曲模量相比于环氧树脂分别提高了67％和20％。
　　3、以三维网络结构的碳纳米管海绵(CNT sponge)为填料，采用真空辅助法，来制备CNT sponge/环氧树脂复合材料。从扫描电镜图可以观察到，CNT sponge具有良好的三维网络结构，并且其中的CNT可以在复合材料中均匀地分散。当CNT sponge的含量仅为0.66wt％时，对应的复合材料就可以获得优异的导电性能(148 S·m-1)、电磁屏蔽性能(33dB，样品厚度为2mm)和力学性能。相比于环氧树脂，弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度、拉伸韧性和断裂伸长率分别提高了102％、27％、64％、250％和97％。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 碳材料

1．1．1 前言

1．1．2 炭黑

1．1．3 石墨

1．1．4 碳纤维

1．1．5 碳纳米管

1．1．6 石墨烯

1．2 电磁屏蔽

1．2．1 前言

1．2．2 原理

1．2．3 影响因素

1．2．4 填料的分类

1．3 聚合物基功能复合材料

1．3．1 前言

1．3．2 制备方法

1．3．3 应用

1．4 本论文的研究目的、意义和主要研究内容

1．4．1 本论文的研究目的和意义

1．4．2 本论文的主要研究内容

第二章 热膨胀石墨烯／羰基铁／环氧树脂复合材料的制备及性能研究

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料与试剂

2．2．2 实验仪器

2．2．3 实验步骤

2．2．4 测试设备

2．3 结果与讨论

2．3．1 TGO和羰基铁的形貌表征

2．3．2 羰基铁和复合材料的XRD以及VSM

2．3．3 复合材料的形貌表征

2．3．4 搅拌方式的影响

2．3．5 复合材料的电磁参数

2．3．6 复合材料的导电性能

2．3．7 复合材料的电磁屏蔽性能

2．3．8 复合材料的弯曲性能

2．4 本章小结

第三章 酚醛树脂修饰的石墨烯气凝胶／环氧树脂复合材料的制备及性能研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料与试剂

3．2．2 实验仪器

3．2．3 实验步骤

3．2．4 测试设备

3．3 结果与讨论

3．3．1 p-GA碳化前后的化学组成变化

3．3．2 p-GA碳化前后的微观结构变化

3．3．3 复合材料的微观结构

3．3．4 复合材料的导电性能

3．3．5 复合材料的电磁屏蔽性能

3．3．6 复合材料的弯曲性能

3．4 本章小结

第四章 碳纳米管海绵／环氧树脂复合材料的制备及性能研究

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料与试剂

4．2．2 实验仪器

4．2．3 实验步骤

4．2．4 测试设备

4．3 结果与讨论

4．3．1 CNT、CNT sponge及其复合材料的微观表征

4．3．2 复合材料的导电性能

4．3．3 复合材料的电磁屏蔽性能

4．3．4 复合材料的力学性能

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师介绍