氨基化碳纳米管增强环氧树脂及其碳纤维复合材料的制备研究

摘要

碳纤维环氧树脂基复合材料由于其高强高模、密度低等特点，已经广泛应用于航天航空、汽车制造、运动器材等领域。然而，韧性低、横向力学性能差、界面性能差、层间易剥离，使得碳纤维复合材料的应用产生局限性。碳纳米管由于其优异的力学性能及化学稳定性，通过增强树脂基体可以提高基体的模量和韧性，同时加强碳纤维与树脂间的界面结合，提高复合材料界面性能。然而，由于碳纳米管在树脂基体中的分散性差，导致其难以发挥增强体的作用，影响复合材料的性能。通过对碳纳米管的表面改性可以提高其在树脂中的反应性及分散性，提高其与树脂的相容性。
　　本文从碳纳米管的表面结构设计出发，将两种胺类化合物(EDA和DETDA)接枝到碳纳米管表面。将表面改性的两种氨基化碳纳米管分散在DGEAC/DETDA环氧树脂基体中，通过不同氨基化碳纳米管在树脂基体中的分散性，环氧树脂固化动力学表征对氨基化碳纳米管与环氧树脂基体的适配性做出研究，为碳纳米管增强碳纤维树脂基复合材料的设计提供基础。之后制备了MWCNTs-NH2/T700碳纤维多尺度增强单向复合材料。选择适配的氨基化碳纳米管/环氧树脂体系，通过溶剂法制备MWCNTs-DETDA/T700碳纤维预浸料并制备了复合材料层合板。此外，本文还对氨基化碳纳米管在不同环氧固化剂体系中的固化动力学进行研究，通过预固化过程使得MWCNTs-NH2/环氧树脂复合材料的性能得到提高。
　　本文将两种胺类化合物接枝到碳纳米管表面，表征结果表明，MWCNTs-EDA的接枝率比MWCNTs-DETDA高，两种氨基化碳纳米管在乙醇中的分散性较MWCNTs-COOH均有改善。将改性后的碳纳米管加入DGEAC/DETDA树脂体系中，MWCNTs-DETDA的分散稳定性更好。固化动力学研究表明，两种氨基化碳纳米管与树脂基体发生反应，在反应初期促进环氧树脂的固化反应。同时，加入0.5wt％MWCNTs-DETDA的树脂体系玻璃化温度及弯曲性能较MWCNTs-EDA体系相比提高更多。表明MWCNTs-DETDA与DGEAC/DETDA体系有更优异的适配性。两种碳纳米管加入树脂基体中，制备得到MWCNTs-NH2/T700碳纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度及弯曲强度都有提高，其中MWCNTs-DETDA/T700/环氧树脂弯曲性能提升更高。选择适配的氨基化碳纳米管/环氧树脂基体，通过溶剂法制备了MWCNTs-DETDA/T700/环氧树脂碳纤维预浸料，最终制备得到复合材料层合板的界面性能及弯曲性能均有很大程度的提高。
　　固化动力学研究表明，氨基化碳纳米管在低活性固化剂树脂体系中降低反应活化能，而在高活性固化剂树脂体系中使反应活化能升高。预固化处理之后，在高活性固化剂体系中，反应活化能降低，碳纳米管的分散性提高，环氧树脂的弯曲强度提高。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 环氧树脂简介及研究进展

1．2．1 环氧树脂简介

1．2．2 环氧树脂的改性

1．3 碳纳米管的特征及研究进展

1．3．1 碳纳米管简介

1．3．2 碳纳米管的改性

1．4 碳纳米管／环氧树脂纳米复合材料的研究进展

1．5 碳纳米管／碳纤维多尺度增强环氧树脂基复合材料研究进展

1．5．1 碳纤维简介

1．5．2 碳纤维预浸料简介

1．5．3 碳纳米管／碳纤维多尺度增强环氧树脂基复合材料的研究进展

1．6 本文研究内容及意义

1．6．1 本文研究目的及意义

1．6．2 本文主要研究内容

第二章 不同氨基化碳纳米管增强环氧树脂及其碳纤维复合材料的制备研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 氨基化碳纳米管的制备

2．2．3 环氧树脂浇注体样条及T700碳纤维单向复合材料的制备

2．2．4 T700碳纤维预浸料的制备

2．2．5 T700碳纤维复合材料层合板的制备

2．2．6 测试与表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 不同氨基化碳纳米管的表征

2．2．2 不同氨基化碳纳米管对环氧树脂体系的影响

2．3．3 碳纳米管增强环氧树脂碳纤维预浸料及多尺度增强复合材料的制备研究

2．4 本章小结

第三章 氨基化碳纳米管对不同环氧树脂体系影响机制研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料

3．2．2 环氧树脂浇注体样条的制备

3．2．3 预固化过程

3．2．4 测试与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 MWCNTs-NH2／DGEAC／IPDA体系固化动力学研究

3．3．2 氨基化碳纳米管对不同环氧树脂-胺固化体系影响机制模型

3．3．3 预固化过程对氨基化碳纳米管／环氧树脂体系黏度的影响

3．3．4 预固化过程对氨基化碳纳米管／环氧树脂体系固化动力学的影响

3．3．5 预固化过程对氨基化碳纳米管／环氧树脂复合材料力学性能的影响

3．3．6 预固化过程对氨基化碳纳米管／环氧树脂复合材料动态力学性能影响

3．3．7 预固化前后MWCNTs-DETDA／DGEAC／IPDA复合材料微观形貌分析

3．4 本章小结

第四章 结论

参考文献

致谢

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