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纳米填料改性环氧树脂低温力学性能研究

陈振坤  
【摘要】: 随着航天,应用超导技术和大型低温工程(ITER)等高科技的迅猛发展,环氧树脂在低温下的应用愈来愈广泛,如可作为浸渍料,胶黏剂和先进复合材料的基体。但纯环氧树脂固化体系在常温下存在抗裂性差,在低温下更脆,因此很难满足在低温下这一极端温度的要求,应用受到很大的限制。本论文分别选择了纳米橡胶(VP-501)颗粒,多壁碳纳米管(MWCNTs)/正丁基缩水甘油醚(BGE)和MWCNTs/聚醚砜(PES),然后加入固化剂二乙基甲苯二胺(DETD)固化,来改性双酚F(DGEBF)型环氧树脂以提高体系的低温力学性能尤其是在低温下的韧性性能。研究了改性剂的含量、种类和微观结构对环氧体系在室温(RT)和低温(77 K)下的拉伸性能和断裂韧性性能的影响,并探讨了各种改性剂对体系低温下的增韧机理。另外,由于实际应用中对环氧树脂耐热性也有一定的要求,因此本论文也研究了各种改性剂对环氧树脂体系玻璃化转变温度的影响。最后,根据碳纳米管剩余长度对聚合物基复合材料力学性能的影响非常大,本论文基于修正混合准则的简化和近似方法,估算了MWCNTs强度和它与聚合物间的界面强度。 研究结果表明:在DGEBF/DETD体系中加入5 phr的VP-501能够有效地增强体系在RT和77 K下的力学性能。随着VP-501含量的增加,体系在RT和77 K下的断裂韧性增加了,然而其拉伸模量降低了。在DGEBF/BGE/DETD体系中通过超声波分散技术引入0.5 phr的MWCNTs后,体系在77 K下的拉伸强度、Young’s模量、失效应变和冲击强度都提高了。在DGEBF/PES/DETD体系中通过三辊研磨机高速剪切的分散方法引入0.5 phr的MWCNTs后,体系在77 K的拉伸强度、Young’s模量、失效应变和断裂韧性均提高了。 对所有的同种体系而言,改性体系在77 K下的拉伸强度和Young’s模量均高于在RT下的拉伸强度和Young’s模量,然而其失效应变和断裂韧性则出现相反的结果。 差示扫描量热仪结果表明VP-501引入固化体系后,体系的玻璃化转变温度相对纯环氧树脂的玻璃化转变温度没有明显地降低,而MWCNTs引入固化体系后,体系的玻璃化转变温度相对纯环氧树脂的玻璃化转变温度均提高了。 本论文针对环氧树脂的低温改性研究为实现环氧树脂在低温环境中的应用提供了重要的理论研究资料。


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