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不同形状纳米粒子增韧环氧树脂复合材料的研究

袁露  
【摘要】: 本文综述了环氧树脂增韧改性的目的、意义和机理。介绍了环氧树脂增韧改性技术和纳米粒子增韧改性环氧树脂的研究进展。采用混合浓酸氧化法和等离子处理法对纳米碳纤维表面进行了处理,成功地在纳米碳纤维表面引入了能与树脂基体形成较强化学键合作用的官能团,改善了纳米碳纤维在树脂基体中的分散性,同时提高了纳米碳纤维与树脂基体的界面结合强度。探讨了纳米粒子/环氧树脂复合材料和纳米粒子/玻璃纤维/环氧树脂复合材料的制备过程,分析了纳米蒙脱土、纳米碳纤维、酸化和等离子处理纳米碳纤维、空心橡胶的添加对环氧树脂复合材料力学性能和流变性的影响。 研究表明,纳米蒙脱土,纳米碳纤维,空心橡胶的加入对环氧树脂复合材料的拉伸性能、冲击性能、断裂韧性和动态力学性能都有所提高,表现出了一定的增强增韧效应。纳米碳纤维含量仅为0.1wt%时,复合材料的拉伸强度即可提高3.5%,冲击强度提高15%,当纳米碳纤维的含量为0.2wt%时,复合材料的力学性能最好,断裂韧性提高13.8%。纳米蒙脱土含量为2wt%时,复合材料的拉伸强度提高67%,冲击强度提高57%,断裂韧性提高33%。空心橡胶含量为10wt%时,复合材料的拉伸强度提高46.4%,冲击强度提高20%,含量为2wt%时断裂韧性比纯环氧树脂提高50%。浓硫酸/浓硝酸的混合酸(体积比为3:1)处理、等离子处理均能降低纳米碳纤维缠结程度,减少残留的催化剂颗粒和杂质,并在纳米碳纤维表面引入了一定数量的羰基和羧基等官能团,从而改善纳米碳纤维在环氧树脂中的分散状况及其与基体树脂的界面结合状况。其中,等离子处理效果较佳,当纳米碳纤维含量为0.5wt%时,采用等离子处理制备的纳米复合材料的断裂韧性较纯环氧树脂提高44.6%,较未处理纳米碳纤维/环氧树脂复合材料提高25.3%。纳米蒙脱土和纳米碳纤维对环氧树脂具有协同增强和增韧作用,纳米蒙脱土和纳米碳纤维协同增强增韧的主要原因是微裂纹增韧、剪切屈服和纤维拔出。 但添加量过高会使复合材料的力学性能下降,并且差于纯环氧树脂。另外,纳米粒子的加入使环氧树脂玻璃化转变温度升高,仅添加纳米蒙脱土时,复合材料的阻尼性能得到改善。


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