納米碳管_環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能研究

1、第31卷第15期2009年8月武漢理工大學(xué)學(xué)報JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.31No.15Aug.2009DOI:10.3963/j.issn.167124431.2009.15.008納米碳管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能研究李其祥,袁觀明,董志軍,呂早生,李軒科(武漢科技大學(xué)湖北省煤轉(zhuǎn)化與新型炭材料重點實驗室,武漢430081)摘要:復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,。:添加納米碳管對環(huán)氧樹脂的彎曲強度、,其界面結(jié)合較強。關(guān)鍵詞:;中圖分類號:TB:A文章編號:167124431(2009)1520025204ResearchontheMechanic

2、alPropertiesofCarbonNanotube/EpoxyResinCompositesLIQi2xiang,YUANGuan2ming,DONGZhi2jun,LVZhao2sheng,LIXuan2ke(HubeiProvinceKeyLaboratoryofCoalConversionandNewCarbonMaterials,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,China)Multi2walledcarbonnanotube/epoxycompositeswerepreparedbyultrasonicdispe

3、rsiontechnicandcast2moldingAbstract:method.Theinfluenceofcarbonnanotubecontentonthemechanicalpropertiesofcompositeswasdiscussedandthemicrostruc2tureoffracturesectionofthecompositeswasinvestigatedbySEManalysis.Theresearchresultsshowthatthebendingstrength,compressivestrengthandtensilestrengthofepoxyre

4、sinareobviouslyimprovedwiththeadditionofcarbonnanotubesinresin.Carbonnanotubesarewelldispersedintheepoxyresinmatrix,andtheinterfacialbondingbetweencarbonnanotubesandepoxyresinmatrixisstrong.carbonnanotubes;epoxyresin;compositeKeywords:環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的粘結(jié)、耐腐蝕、絕緣、高強度等性能,被廣泛用于粘合劑、涂料、電氣絕緣材料和復(fù)合材料的制備,是工業(yè)領(lǐng)域不可缺少的基礎(chǔ)

5、材料,但是由于環(huán)氧樹脂固化后交聯(lián)密度高,內(nèi)應(yīng)力大,因而存在質(zhì)脆、耐疲勞性、耐熱性、抗沖擊韌性差等缺點,難以滿足工程技術(shù)的要求,使其應(yīng)用受到一定的限制,因此對環(huán)氧樹脂進行各種改性已成為該領(lǐng)域的重要研究課題1。納米碳管自從1991年被日本學(xué)者Iijima2報道以來,其獨特的結(jié)構(gòu)、奇異的性能和潛在的應(yīng)用價值,引起了科學(xué)家們極大的研究興趣。近年來,各國科學(xué)家們在致力于納米碳管低成本、批量化、可控化生產(chǎn)的同時,更注重其應(yīng)用研究,其中納米碳管/聚合物復(fù)合材料的研究325是一個最具發(fā)展?jié)摿Φ男骂I(lǐng)域。目前,國內(nèi)外已有不少報道利用納米碳管來增強環(huán)氧樹脂,但是一般納米碳管的添加量較少6,7,或是僅研究其拉伸力學(xué)性

6、能8,9或彎曲力學(xué)性能10,較高含量納米碳管/收稿日期:2009205218.基金項目:湖北省教育廳優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團隊資助計劃項目(T200402)和武漢科技大學(xué)科學(xué)基金(2008TD06).作者簡介:李其祥(19542),男,高級工程師.E2mail:lqx195400武漢理工大學(xué)學(xué)報2009年8月26環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的系統(tǒng)研究并不多見。文中采用超聲波分散工藝和澆鑄成型法制備納米碳管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料,考察了不同納米碳管的添加量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,并利用掃描電鏡對復(fù)合材料的斷面形貌進行了微觀分析。1實驗1)原料環(huán)氧樹脂F(xiàn)48、固化劑593B、稀釋劑660A:藍(lán)星化工新材料股

7、份有限公司無錫樹脂廠。多壁納米碳管(實驗室自制,純度>95%,具體制備方法見文獻(xiàn)11)。N,N2二甲基甲酰胺:分析純,湖北大學(xué)化工廠。2)納米碳管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制備將一定量(按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)的多壁納米碳管樣品分散在一定量的有機溶劑N,N2二甲基甲酰胺中,先磁力攪拌0.5h,然后超聲波分散0.5h,最后加入經(jīng)60熔融的環(huán)氧樹脂中,機械強力攪拌0.5h。待樹脂冷卻后加入一定量的固化劑,機溶劑,最后注入模具內(nèi),室溫固化24h。3)納米碳管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料測試分析2型微機控制電液伺服萬能試驗機(LEO1530型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)22.1多壁納米碳管和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的形貌圖1

8、為所用多壁納米碳管的掃描電鏡和透射電鏡照片,從圖1中可以看出納米碳管純度較高,直徑約為2030nm,長度約為100500m。圖2為環(huán)氧樹脂及其納米碳管復(fù)合材料不同力學(xué)性能測試樣品的光學(xué)照片,從照片中可以看出純環(huán)氧樹脂為黃色透明的,加入納米碳管后試樣顏色加深,直至變?yōu)榧兒谏?.2環(huán)氧樹脂及其納米碳管復(fù)合材料的力學(xué)性能一般來說,力學(xué)性能測試曲線下的面積代表材料的破壞能,是材料準(zhǔn)靜態(tài)條件下強度和韌性的共同體現(xiàn),它最終與界面粘結(jié)強度和界面松馳緊密相關(guān)12。純環(huán)氧樹脂和納米碳復(fù)合材料的力學(xué)性能測試曲線如圖3所示,由圖3(a)的彎曲伸長2強度曲線可以看出:曲線A(即純樹脂基體)包圍的面積最小,曲線斜率大

9、,在頂點附近呈折線垂直下滑,說明此時材料受最大壓力后突然折斷,材料具有典型的脆性特征。直接添加1.0%納米碳管后,曲線B下包圍的面積增大,曲線斜率較小,在頂點附近出現(xiàn)了韌性平臺。復(fù)合材料的韌性有所提高,其彎曲強度由22.1MPa提高到26.7MPa,提高了20%。添加等量經(jīng)有機溶劑分散后的納米碳管后,發(fā)現(xiàn)曲線C的韌性平臺非常明顯,說明復(fù)合材料的韌性大大提高,但是彎曲強度略有下降,這與復(fù)合材料中少量未完全脫除的有機溶劑有關(guān)13。由圖3(b)的壓縮形變2強度曲線可以看出:曲線A(即純樹脂基體)包圍的面積最小,曲線呈拋物線形,這與圓柱狀試樣壓縮過中其中間部分凸起變大有關(guān)。添加少量納米碳管(0.1%、

10、0.5%)后,復(fù)合材料(曲線B、C)的抗壓強度有所提高,但韌性增加不明顯。當(dāng)納米碳管的用量增加到1.0%時,復(fù)合材料(曲線D)的強度先略微下降再逐漸增加,韌性明顯提高。由圖3(c)的拉伸應(yīng)力2應(yīng)變曲線可以看出:曲線A(純樹脂基體)下包圍的面積最小,為典型的脆性斷裂。隨著納米碳管添加量的增加,復(fù)合材料的應(yīng)力2應(yīng)變曲線下包圍的面積逐漸增大,且曲線頂點附近出現(xiàn)了韌性平臺,這說明復(fù)合材料的強度和韌性在逐漸增加。當(dāng)納米碳管用量為1.0%(曲線D)和3.0%(曲線E)時,曲線下包圍的面積較大,且出現(xiàn)了較長的韌性平臺,說明此時環(huán)氧樹脂的增強增韌效果最好。當(dāng)納米碳管用量為0.5%(曲線C)時,復(fù)合材料應(yīng)力2應(yīng)

11、變曲線中有比較明顯的屈服點,復(fù)合材料在屈服點之后斷裂表現(xiàn)為韌性斷裂。當(dāng)納米碳管含量大于3.0%時,如5.0%(曲線F)和10.0%(曲線G),復(fù)合材料在屈服點之前就發(fā)生斷裂,其應(yīng)力2應(yīng)變第31卷第15期李其祥,袁觀明,董志軍,等:納米碳管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能研究27曲線與純環(huán)氧樹脂相似,表現(xiàn)為典型的剛而脆材料特征。雖然復(fù)合材料的拉伸強度較純環(huán)氧樹脂有所提高,但其韌性明顯下降。復(fù)合材料的拉伸力學(xué)性能數(shù)據(jù)如圖4所示,從圖4中可以看出:隨著納米碳管用量的逐漸增加,復(fù)合材料的拉伸強度、提高。量達(dá)到3.0%時,32.0MPa提高到63.5MPa,拉伸模量由1.86GPa提高到3.2Gpa,斷裂伸

12、長由1.21mm提高到2.62mm,分別比純環(huán)氧樹脂的拉伸強度、拉伸模量和斷裂伸長提高了98.4%、72.0%、116.5%。但是當(dāng)納米碳管的添加量繼續(xù)加大時,如5.0%和10.0%,雖然復(fù)合材料拉伸模量繼續(xù)增大,但其拉伸強度和斷裂伸長明顯下降。可能原因是納米碳管的加入量增大后造成環(huán)氧樹脂粘度提高,流動性變差,而且納米碳管不容易分散均勻,氣泡和溶劑難以完全脫除,形成孔洞留在復(fù)合材料里。當(dāng)復(fù)合材料受到外力拉伸作用時,孔洞區(qū)域首先被破壞,導(dǎo)致復(fù)合材料強度下降。2.3環(huán)氧樹脂及其納米碳管復(fù)合材料的斷口形貌在納米碳管/聚合物復(fù)合材料研究中,納米碳管的均勻分散是一個非常困難且普遍存在的問題。復(fù)合材料的性

13、能不僅取決于復(fù)合體系自身的特點,還取決于增強體在基體中的分布方式及其與基體之間的界面粘武漢理工大學(xué)學(xué)報2009年8月28結(jié)強度。環(huán)氧樹脂及其納米碳管復(fù)合材料拉伸斷面的掃描電鏡形貌如圖5所示,從圖中低倍放大照片可以明顯看出:純樹脂(圖5(a)發(fā)生典型脆性斷裂,斷面平滑整齊,裂紋呈直線型且均勻有序。添加納米碳管后,斷面變粗糙,呈高低不平的河流狀和花絮狀形貌(圖5(b)圖5(d),裂紋不再有序。可能原因是納米碳管的加入起到了承載外力且消耗斷裂能量14并阻止基體裂紋朝一個方向擴展(即宏觀開裂)的作用,造成裂紋呈雜亂無章排列。另外,因為納米碳管為典型的二維納米結(jié)構(gòu)材料,其比表面積很大,與基體的界面連接更

14、充分、更牢固,相互作用較強,從而使拉伸測試時作用在樹脂上的負(fù)載通過界面有效轉(zhuǎn)移到納米碳管上,阻止了因應(yīng)力集中而引起的銀紋和微裂紋的擴展15,最終使納米碳管/環(huán)氧樹脂復(fù)合的力學(xué)性能得到大幅度提高。將圖5(c)進一步放大后,發(fā)現(xiàn)斷面處(圖5(e)出現(xiàn)了均勻分布的亮點,亮點即為納米碳管的端頭。這表明采用有機溶劑-超聲波相結(jié)合分散工藝,可以使納米碳管在樹脂中分散得較為均勻,達(dá)到有效提高復(fù)合材料的力學(xué)性能的目的。但是當(dāng)納米碳管的添加量達(dá)到10.0%之后,機械外力作用不能使其在樹脂基體中有效分散,局部團聚(圖5(f)在復(fù)合材料承載時成為斷裂源,不但起不到增強效果,3結(jié)論a./環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。b.、壓縮強

15、度和拉伸強度具有明顯的改善效果,當(dāng)納米碳管的添加量為3.0%時,、拉伸模量和斷裂伸長分別比純環(huán)氧樹脂提高了98.4%、72.0%、116.5%。但是當(dāng)納米碳管的添加量繼續(xù)加大時,如5.0%和10.0%,雖然復(fù)合材料拉伸模量繼續(xù)增大,但拉伸強度和斷裂伸長明顯下降。c.復(fù)合材料斷面微觀分析表明采用有機溶劑-超聲波相結(jié)合分散工藝,可以使一定量的納米碳管在環(huán)氧樹脂中得到有效分散。參考文獻(xiàn)1王德中.環(huán)氧樹脂生產(chǎn)與應(yīng)用M.第2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001.2IijimaS.HelicalMicrotubesofGraphiticCarbonJ.Nature,1991,354(6348):56258.

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