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纳米颗粒改性环氧树脂的断裂行为及其和纤维的界面性能研究

汤龙程  
【摘要】:在过去的几十年内,纤维增强聚合物复合材料因其具有高强度、刚度和韧性在航空、航海、汽车、体育用品等重要领域都有着非常广泛的应用。环氧树脂由于其优越的性能如易加工和耐化学腐蚀等,而广泛地用作为纤维结构复合材料的基体。然而,因为其本身脆性的限定,环氧树脂的应用在一些领域受到很大的限制。因此,增强/增韧环氧树脂,同时保持没有牺牲其他重要的性能如热机械性能和模量,在很多应用领域是迫切需求的。近年来,由于纳米填料在环氧树脂里能实现纳米尺度上的分散,较少的纳米颗粒含量就可以大幅提高环氧基复合材料的力学性能,这为环氧基复合材料的低成本、高性能和多功能化,开发新型材料提供了一种新的途径。 本文利用高剪切机械方法往环氧树脂里分散了不同的纳米颗粒及它们的混合物,对纳米颗粒改性环氧复合材料的制备、表征和性能进行了系统地研究。讨论了不同尺寸,种类及其表面改性的纳米颗粒对环氧基复合材料力学性能的影响,并探讨了相关的断裂机理。我们尝试通过混合不同的纳米颗粒来实现对环氧树脂力学性能的调控。此外,本文还进一步研究了纳米颗粒对纤维束和环氧基体界面粘合性能的影响。详述如下: 1.多壁碳纳米管(MWCNTs)臭氧化处理对环氧基复合材料性能的影响 基于环境友好和简便的工艺,气体臭氧用来功能化纯的MWCNTs。臭氧功能化后,MWCNTs能够在环氧树脂里获得较好的分散性和较强界面粘结效果,从而显著地提高了复合材料的基本力学性能和断裂韧性。我们引入一个新的方法来观察和分析MWCNTs/环氧复合材料对称的断面,判别碳管的具体断裂模式;结果显示碳管/环氧复合材料比传统纤维复合材料具有更为复杂的断裂模式。基于上述方法,我们定量化了MWCNTs的这些断裂模式,并分析了MWCNT断裂模式与复合材料断裂韧性之间的关系。 2.刚性或柔性纳米颗粒改性环氧树脂的力学性能与断裂机理 研究结果显示亚微米橡胶颗粒能使环氧树脂的断裂韧性得到显著的提高,但却明显地降低了复合材料的其他性能如弹性模量、强度和热机械性能;而纳米橡胶颗粒则提高环氧树脂的断裂韧性的同时可以保持材料的其他性能如玻璃化转变温度和强度。相比较而言,刚性无机纳米颗粒可以同时改善环氧树脂的断裂韧性、刚度和强度。然而,刚性颗粒对环氧的增韧效率往往要比橡胶颗粒要低很多。研究发现微米橡胶和纳米橡胶/环氧复合材料的增韧机理主要包括橡胶颗粒脱粘/空穴和局部基体剪切带机理。刚性纳米颗粒显示与橡胶类似的增韧机理:纳米颗粒脱粘和塑性空穴增长以及基体的剪切带机理可能在增韧过程中起到重要的作用。 3.利用混合颗粒复配实现环氧树脂的力学性能的调控 采用改进的分散技术,刚性二氧化硅和柔性橡胶(包括亚微米橡胶和纳米橡胶)混合颗粒都实现了在环氧树脂里无团聚的自由分散效果。与单一种类颗粒相比,二氧化硅/橡胶混合颗粒填充的复合材料在刚度、强度和韧性之间呈现完美的平衡,这有利于调控环氧树脂的力学性能。研究发现三相复合材料体系中的二氧化硅与橡胶颗粒在固化和断裂过程中发生了复杂的相互作用,从而导致一些在两相复合材料没有观察到的形貌特征。此外,我们还利用橡胶纳米颗粒和亚微米颗粒的复配改性环氧树脂的力学性能,结果显示两种橡胶有协同增韧的效果;这可能是因为两种橡胶颗粒增韧机理类似,在断裂过程中能相互促进各自颗粒的脱粘,从而增强了基体的塑性变形而消耗大量断裂能量所导致的。 4.纳米颗粒对纤维和环氧基体界面粘合性能的影响 采用简单方便的,改良的机械搅拌工艺,刚性纳米颗粒在环氧基体获得几乎均匀的分散性。研究发现纳米颗粒不仅可以同时提高环氧树脂基体的刚度和韧性,还能显著改善纤维(包括碳纤维和玻璃纤维)与基体的界面强度。刚性纳米颗粒添加后基体/纤维的界面质量的改善可能是因为基体断裂韧性的增加以及基体与纤维热膨胀系数不匹配引起的热残余应力的减小所造成的。


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