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柔性胺接枝碳纳米管增强环氧树脂复合材料的研究

作　者: 石凌飞
导　师: 隋刚
学　校: 北京化工大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 碳纳米管柔性胺环氧树脂复合材料增强增韧
分类号: TQ323.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

碳纳米管(Carbon Nanotubes,简称CNTs)是一种性能优异的、有着广泛用途的新型一维纳米材料。近年来,CNTs以其良好的力学性能、电性能和热性能,被越来越多的应用在航空、航天、电子和生物领域。在复合材料方面,CNTs也常用作增强剂,提高树脂的机械强度。聚醚胺是一种柔性胺,其分子结构中含有胺基(-NH2)和醚键(-C-O-C-),被广泛的用作环氧树脂的中低温固化剂。因为聚醚胺含有胺基和醚键等柔性基团,所以使用它固化的环氧树脂具有良好的韧性和耐冲击性,但同时也会导致材料机械强度的降低。本文通过对碳纳米管进行官能化处理,将聚醚胺(T403)接枝在CNTs的侧壁上,形成酰胺基团(-CONH2)官能化的多壁碳纳米管(f-MWNTs)。再将其加入环氧树脂Epon 828中,充分利用CNTs的刚性和T 403的柔性,将两者的优点综合在一起,实现对碳纤维／环氧树脂复合材料增强增韧的目的。通过傅立叶变换红外分析(FTIR)、热失重分析(TGA)、X射线光电子能谱(XPS)和透射电子显微镜(TEM)进行表征了酰胺基官能化的碳纳米管,结果表明T403被成功接枝在在碳纳米管上。通过对制备出的树脂浇注体和T700碳纤维单向复合材料进行力学性能测试,显示CNTs经过表面柔性胺接枝后,改善了Epon 828环氧树脂与碳纤维的界面结合状况。加入f-MWNTs可以提高Epon 828树脂浇注体和单向复合材料的储能模量和Tg。随着f-MWNTs的含量增加,复合材料的弯曲模量逐渐增加,而树脂浇注体和单向复材的其它力学性能呈现上升后有所降低的趋势。

全文目录

学位论文数据集  3-4
摘要  4-6
ABSTRACT  6-15
第一章绪论  15-37
  1.1 碳纤维/环氧树脂复合材料的发展状况  15-24
    1.1.1 环氧树脂基体  15-18
    1.1.2 固化剂  18-21
      1.1.2.1 固化剂的定义  18
      1.1.2.2 固化剂的种类  18
      1.1.2.3 固化剂的选择  18-20
      1.1.2.4 柔性固化剂  20-21
    1.1.3 碳纤维  21-22
    1.1.4 碳纤维复合材料的缠绕成型  22-24
      1.1.4.1 碳纤维复合材料的成型工艺  22-23
      1.1.4.2 纤维缠绕成型的定义  23
      1.1.4.3 缠绕成型工艺分类  23-24
      1.1.4.4 缠绕制品的性能及应用  24
  1.2 环氧树脂的增韧改性的研究  24-28
    1.2.1 橡胶类弹性体增韧  25
    1.2.2 热塑性树脂增韧  25-26
    1.2.3 液晶聚合物增韧  26-27
    1.2.4 互穿网络聚合物增韧  27
    1.2.5 核-壳结构增韧  27
    1.2.6 纳米粒子增韧  27-28
  1.3 碳纳米管化学改性的研究  28-36
    1.3.1 碳纳米管  28-29
    1.3.2 碳纳米管增强复合材料  29-30
    1.3.3 碳纳米管在应用中存在的问题及面临的挑战  30
    1.3.4 碳纳米管的官能化处理  30-36
      1.3.4.1 CNTs的共价修饰  32-35
      1.3.4.2 非共价键修饰  35-36
  1.4 本论文的研究目的及研究内容  36-37
    1.4.1 研究目的  36
    1.4.2 研究内容  36-37
第二章实验部分  37-43
  2.1 原材料  37
  2.2 实验仪器  37-38
  2.3 样品制备  38-40
    2.3.1 MWNTs的官能化处理  38-39
      2.3.1.1 MWNTs的羧酸化  38-39
      2.3.1.2 MWNTs的酰胺化  39
    2.3.2 官能化MWNTs的在稀释剂中的分散  39
    2.3.3 树脂浇注体的制备  39-40
    2.3.4 单向复合材料的制备  40
  2.4 性能测试  40-43
    2.4.1 官能化MWNTs的性能表征  40
    2.4.2 树脂浇注体和单向复合材料的性能表征  40-43
第三章结果与讨论  43-61
  3.1 MWNTs表面官能化的表征  43-48
    3.1.1 傅立叶红外光谱分析(FTIR)  43-44
    3.1.2 热失重分析(TGA)  44-45
    3.1.3 X射线光电子能谱分析(XPS)  45-47
    3.1.4 MWNTs的微观形貌  47-48
  3.2 柔性胺接枝MWNTs对环氧树脂浇注体及其单向碳纤维复合材料力学性能的影响  48-54
    3.2.1 环氧树脂浇注体的力学性能  49-51
    3.2.2 单向复合材料力学性能  51-54
  3.3 环氧树脂浇注体和单向复合材料的断面形态分析  54-57
    3.3.1 树脂浇注体的微观形态  54-55
    3.3.2 单向复合材料的微观形态  55-57
  3.4 动态力学热分析(DMTA)  57-61
    3.4.1 树脂浇注体与单向复合材料的T_g变化  57-59
    3.4.2 树脂浇注体与单向复合材料的储能模量变化  59-61
第四章结论  61-63
参考文献  63-67
致谢  67-69
研究成果及发表的学术论文  69-71
作者及导师个人简历  71-72
北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书  72-73

柔性胺接枝碳纳米管增强环氧树脂复合材料的研究

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