碳纤维/玻璃纤维同轴拉挤复合材料和碳纳米管增强拉挤复合材料的制备与性能研究

摘要

环氧树脂拉挤复合材料在军用和民用领域都得到了广泛的应用。碳纤维／玻璃纤维同轴拉挤复合材料作为一种新型的耐高温结构型材在电力输送行业承担了重要的支持高压输电线缆的任务。而碳纳米管作为一种力学性能及其出众的增强体受到了越来越多的重视,也渐渐成为了复合材料的一种优秀增强体。本文采用了自行研发改进的拉挤设备成功的制备出了同轴度良好,耐高温的碳纤维／玻璃纤维同轴拉挤复合材料,该复合材料生产过程连续,性能基本符合高压输电电缆支持内芯的要求。本文也通过对多壁碳纳米管的改性以增加其在环氧树脂中的结合力和均匀分散程度。并且将用硅烷偶联剂官能化的碳纳米管s-MWNT和负载了二氧化硅颗粒的官能化碳纳米管s-MWNT-SiO2加入到拉挤复合材料中,提高了拉挤复合材料的力学性能。
　　 对于耐高温的Huntsman环氧树脂浇注体的固化工艺的研究确定了拉挤过程的主要工艺参数。再通过对于拉挤设备的改进和采用分段拉挤的方法使同轴拉挤复合材料的碳纤维内芯被玻璃纤维外层均匀包裹。拉挤复合材料的同轴度好,纤维与树脂的界面结合紧密,复合材料的玻璃化温度达到了220℃。
　　 多壁碳纳米管经过浓硫酸和浓硝酸的羧酸化处理之后与硅烷偶联剂KH550进行反应。部分反应后的碳纳米管再与硅烷偶联剂和二氧化硅进行反应,将部分二氧化硅颗粒接枝到改性后的碳纳米管上。通过红外光谱,X射线光电子能谱,热失重分析,透射电子显微镜对官能化的碳纳米管进行表征,结果证明硅烷偶联剂的基团和部分二氧化硅颗粒分别成功的接枝在碳纳米管上。具有硅烷偶联剂官能团的碳纳米管能与环氧树脂Epon828上的活性基团进行反应从而达到对树脂基体的增强作用；碳纳米管表面的二氧化硅颗粒也能为环氧树脂提供增强的作用。
　　 将不同质量分数的官能化碳纳米管加入到环氧树脂Epon828浇注体中,并对其拉伸,弯曲,动态热机械性能和断口微观形貌进行测试。当加入官能化碳纳米管s-MWNT和s-MWNT-SiO2含量为0.5wt％时,环氧树脂的拉伸强度分别提高了16.6％和18.8％,弯曲强度分别提高了19.0％和21.7％,弯曲模量分别提高了12.3％和14.5％。同时环氧树脂浇注体的玻璃化温度也有所提升。从微观形貌分析,在官能化碳纳米管的质量分数为0.5wt％时,其在树脂浇注体中分散最均匀,起到了应力传递和支持的桥联作用。
　　 将含有不同质量分数的官能化碳纳米管的环氧树脂制备成拉挤复合材料,并对该复合材料的弯曲,剪切力学性能和微观结构进行了观察和测试。当官能化碳纳米管的含量为0.25wt％时,s-MWNT和s-MWNT-SiO,将拉挤复合材料的弯曲强度分别提高了13.7％和14.7％；将弯曲模量分别提高了11.0％和13.0％；将剪切强度分别提高了22.0％和25.9％。通过微观形貌观察,该质量分数下官能化碳纳米管均匀的分散在环氧树脂中,提高了树脂和纤维的界面结合,同时将应力更均匀的分散给增强纤维。

目录

文摘

英文文摘

Contents

符号说明

第一章 绪论

1.1 环氧树脂基复合材料

1.1.1 环氧树脂简介

1.1.2 环氧树脂复合材料

1.2 连续纤维拉挤复合材料

1.2.1 拉挤工艺的原理和设备

1.2.2 拉挤复合材料工艺的特点

1.3 碳纤维/玻璃纤维同轴拉挤复合材料

1.4 碳纳米管

1.4.1 碳纳米管的结构与性能

1.4.2 碳纳米管的制备方法

1.4.3 碳纳米管改性方法

1.4.4 碳纳米管增强环氧树脂

1.5 官能化碳纳米管增强复合材料

1.6 本文的研究内容及意义

1.6.1 本课题的目的和意义

1.6.2 本课题的内容

第二章 实验部分

2.1 实验原料

2.2 实验仪器及设备

2.3 碳纤维/玻璃纤维同轴拉挤复合材料的制备

2.3.1 多功能环氧树脂的浇注体固化体系研究

2.3.2 碳纤维/玻璃纤维同轴拉挤复合材料的制备

2.4 官能化碳纳米管增强玻璃纤维复合材料的制备

2.4.1 碳纳米管的官能化

2.4.2 官能化碳纳米管增强环氧树脂浇注体的制备

2.4.3 官能化碳纳米管增强玻璃纤维拉挤复合材料的制备

2.5 表征与测试

2.5.1 傅里叶红外测试(FT-IR)

2.5.2 透射电子显微镜(TEM)与高分辨透射电子显微镜(HRTEM)表征

2.5.3 热失重分析表征(TGA)

2.5.4 扫描电子显微镜表征(SEM)

2.5.5 X射线光电子能谱表征(XPS)

2.5.6 环氧树脂浇注体拉伸性能测试

2.5.7 环氧树脂浇注体弯曲性能测试

2.5.8 拉挤复合材料的弯曲性能测试

2.5.9 拉挤复合材料的剪切性能测试

2.5.10动态热机械性能测试(DMTA)

第三章 结果与讨论

3.1 耐高温环氧树脂固化工艺的研究

3.1.1 不同固化工艺下耐高温环氧树脂浇注体的力学性能测试

3.1.2 不同固化工艺下耐高温环氧树脂浇注体的DMTA测试

3.2 碳纤维/玻璃纤维同轴拉挤复合材料的研究

3.2.1 碳纤维/玻璃纤维同轴拉挤复合材料的DMTA测试

3.2.2 碳纤维/玻璃纤维同轴拉挤复合材料的微观结构表征

3.3 碳纳米管的官能化的表征

3.3.1 碳纳米管官能化前后的傅里叶红外光谱分析(FTIR)

3.3.2 官能化碳纳米管的X射线光电子能谱(XPS)分析

3.3.3 官能化碳纳米管的热失重分析

3.3.4 官能化碳纳米管的微观形貌

3.4 官能化碳纳米管对于环氧树脂浇注体的增强

3.4.1 不同含量官能化碳纳米管对于环氧树脂浇注体力学性能的影响

3.4.2 含有官能化碳纳米管的环氧树脂浇注体的动态热力学分析

3.4.3 含有官能化碳纳米管的环氧树脂浇注体的微观结构分析

3.5 官能化碳纳米管对于拉挤复合材料的增强

3.5.1 官能化碳纳米管对于拉挤复合材料的力学性能的影响

3.5.2 加入官能化碳纳米管的拉挤复合材料的微观形貌分析

第四章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者简介

导师简介

硕士研究生学位论文答辩委员会决议书