改性环氧树脂的低温力学性能研究进展

近年来,随着国防、航天、大型低温工程(EAST和ITER等)和应用超导等高科技领域的迅猛发展,环氧树脂在低温下的应用愈来愈广泛.本文主要从改性环氧树脂的拉伸强度和冲击韧性两方面,对其低温下的力学性能研究进展进行论述.研究显示,柔性改性和纳米填料改性都可以提高其低温力学性能(拉伸强度和冲击韧性),相关研究工作为改性环氧树脂在低温环境下的应用提供了依据.     

碳纳米管对环氧树脂力学性能的影响

用浇铸成型法制备了碳纳米管／环氧树脂复合材料，研究了其力学性能，并探讨了该材料的微观结构与性能之间的关系。结果表明，碳纳米管对环氧树脂具有明显增强增韧作用。在碳纳米管加入量为3.0％(质量分数)时，复合材料的综合性能较好，拉伸强度、拉伸模量及断裂伸长率较纯树脂分别提高了90％-100％、60％-70％、150％-200％。     

KH550修饰碳纳米管增韧环氧树脂的研究

利用偶联剂KH550对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行化学修饰,并制备了MWCNTs/环氧树脂纳米复合材料.研究了不同含量的MWCNTs对纳米复合材料力学性能的影响.研究结果表明,MWCNTs表面成功接枝上了一定量的KH550,将其加入环氧树脂基体可大幅提高复合材料的力学性能.当添加量达到0.5%时,复合材料的力学性能最好,冲击韧度和弯曲强度较纯环氧树脂分别提高了85.3%和21.6%.扫描电镜结果显示,复合材料由脆性断裂转变为韧性断裂.     

碳纳米管改性对碳/ 环氧复合材料层间性能的影响

研究了在碳纤维织物上生长碳纳米管的改性对环氧树脂基复合材料层间性能的影响,对比了有无碳纳米管的碳纤维复合材料的层间剪切和弯曲性能,并采用碳纤维表面结合碳纳米管膜的方法研究了碳纳米管对碳/环氧复合材料层间性能的影响。结果表明,由于生长的碳纳米管长度过长(10μm)、末端无序排列为笼状,树脂无法进入碳纳米管内部,碳纳米管无法发挥增强作用,同时由于碳纳米管过长,复合材料内部缺陷增多,使得四种生长碳纳米管的碳纤维复合材料层间性能均有下降;而碳纳米管膜与碳纤维和树脂基体结合较好,使得复合材料层间剪切强度提高12%。     

碳纳米管膜层间增韧对碳纤维复合材料力学性能的影响

分别采用两种碳纳米管膜进行层间增韧,应用热压罐工艺成型了碳纳米管膜/碳纤维增强树脂基复合材料,研究了碳纳米管膜的成型工艺、取向、面密度对复合材料力学性能和层间韧性的影响。结果表明:CNT膜平行于碳纤维铺放时复合材料的压缩强度、90°弯曲强度和层剪强度均高于CNT膜垂直于碳纤维铺放时的复合材料性能。面密度较小的CNT膜对复合材料的增韧效果较好。喷涂法成型的碳纳米管膜层间改性的复合材料层间断裂韧性明显优于拉膜法碳纳米管膜层间改性的。CNT无规膜的面密度为0.75 g/m2时,复合材料的GIC和GIIC最优,相比改性前分别提高了21%和42%。     

分散方法对碳纳米管/环氧树脂性能的影响

使用超声波振荡法和超声波破碎法两种方法制备了不同含量的碳纳米管/环氧树脂,分析了分散前后碳纳米管的形态,对比了分散方法对环氧树脂固化特性、流变性能、热性能、力学性能的影响,并研究了产生这种现象的机理。研究结果表明:超声破碎分散的CNTs形貌发生一定的变化,分散方法对树脂的固化特性、流变性能影响不明显,但是对树脂的玻璃化转变温度、力学性能影响较为明显。     

多壁碳纳米管对C/E复合材料力学性能的影响

采用多壁碳纳米管(MWNTs)进行环氧树脂的改性,并制备了碳纤维热熔预浸料。研究了MWNTs的改性方法、规格、含量对树脂基体的流变特性和碳纤维复合材料力学性能的影响。结果表明:MWNTs的管径越小,改性树脂的黏度升高越明显,加入相容剂可降低工艺上的成型难度。MWNTs的长径比越大增韧效果越好,长径比较小时增强效果较好。C/E复合材料的0°、90°压缩强度、层剪强度、CAI着MWNT-NH_2(b)含量的提高呈现先增加后降低的趋势,当MWNT-NH_2(b)的含量为2%(质量分数)时,上述性能最优,0°、90°压缩模量则呈现逐渐增加的趋势。拔出与断裂、桥联效应、裂纹偏转效应是碳纳米管在C/E复合材料中的主要作用机制。     

碳纳米管的表面功能化研究:接枝环氧基聚合物

通过共价键修饰将酸化的多壁碳纳米管(MWNTs)与环氧树脂进行接枝反应,并通过傅立叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD),拉曼光谱(Raman spectra),热失重分析(TGA)和透射电镜(TEM)对其进行表征.研究发现,酸化处理在多壁碳纳米管管壁产生羧基、羟基,并检测到环氧树脂是通过共价键接枝到多壁碳纳米管管壁上,其接枝率达到39%.差示扫描晕热仪(DSC)显示改性的多壁碳纳米管对环氧树脂的固化反应有显著的影响.     

纳米碳管/环氧树脂复合材料力学性能研究

以纳米碳管增强环氧树脂以及纳米碳管增强玻璃纤维/环氧树脂复合材料为研究对象，研究了纳米碳管在环氧树脂中的分散效果以及碳管含量和分散剂的用量对环氧树脂弯曲性能和热性能的影响，并用扫描电子显微镜（SEM）观察其微观结构。结果表明，纳米碳管的分散对环氧树脂的弯曲性能影响很大，而加入纳米碳管能够显著提高环氧树脂的耐热性。     

纳米碳黑对酚醛树脂力学性能的影响

以纳米碳黑作为增强材料制备纳米复合材料，研究了不同的纳米碳黑含量对纳米复合材料力学性能的影响，采用扫描电镜观察复合材料断裂界面、X射线衍射表征复合材料碳化后的结构。研究结果表明，纳米碳黑粒子使酚醛树脂的弯曲强度、压缩强度得以提高。     

碳纤维增强耐热环氧树脂复合材料工艺性能研究

研究了一种低黏度耐高温环氧树脂体系的黏温特性及固化反应动力学,考察了该树脂体系的浇注体及其碳纤维复合材料的力学性能,通过热机械分析(DMTA)研究了树脂浇注体及其复合材料的动态热机械性能.结果表明,该树脂体系在室温下黏度为0.3 Pa·s,50℃下适用期在10 h以上,130℃下可以快速固化反应,适合于RTM等快速成型工艺,Tg达到220℃以上,其碳纤维复合材料具有优良的耐高温性能.     

碳纳米管在环氧树脂中的分散性

通过调整工艺条件,制得不同分散性的碳管改性环氧树脂,分别采用静置观察法、黏度法、细度法对分散性进行宏观表征。结果表明:碳管的分散性越好,环氧树脂的黏度越大、细度越低、保存时间越长;三种方法均可以表征碳纳米管的分散均匀性;黏度法和细度法可以实现碳管分散性的快速评价,但均需找出具体的评价标准。通过建立刮板细度与碳管分散性的对应关系,可以快速表征碳管的分散性,简便易行。     

KH-550 对环氧树脂胶黏剂粘接性能的影响

采用红外光谱表征了KH-550的结构.用不同浓度的KH-550乙醇溶液处理铝表面,并用环氧胶黏剂粘接铝与铝的界面,测定其剪切强度.采用扫描电镜研究了KH-550预处理前后的铝与环氧胶黏剂体系的界面结合特征,并利用反射红外(RA-IR)对氨基硅烷偶联剂的作用机理进行了分析.试验研究表明,KH-550溶液涂覆后可明显改善铝与胶黏剂粘接界面的结合强度,环氧胶黏剂粘接强度可提高2～3 MPa.     

纳米多壁碳管结构变化对其复合材料微波性能影响

采用不同温度热处理纳米多壁碳管,研究纳米多壁碳管结构变化对相应复合材料的微波特性的影响.采用拉曼光谱分析表征纳米多壁碳管热处理前后的结构变化;测试纳米多壁碳管/石蜡复合材料在0.5 ～ 6GH介电谱.结果显示,热处理温度≤1000℃,纳米多壁碳管的ID/IG值基本不变,相应复合材料的复介电常数大致相等且吸波性能基本相同;热处理温度＞ 1000℃,ID/IG值明显减小,内部结构发生重排,纳米多壁碳管平均晶粒尺寸增大,相应的纳米多壁碳管复合材料的复介电常数无论实部还是虚部均明显下降,微波吸收峰向高频移动.通过热处理控制纳米多壁碳管的ID/IG值和平均晶粒尺寸,可以调整纳米多壁碳管复合材料的微波介电谱,达到调整纳米多壁碳管复合材料的微波吸收特性的目的.     

环氧树脂基导电复合材料力电性能研究

实验研究了填充炭黑的环氧树脂基导电复合材料的导电机理,不同炭黑掺量复合材料在一次加载及反复加载卸载下的力电效应。结果表明,炭黑掺量为20%试件的力电效应明显且稳定;各掺量试件卸载后均存在较大残余电阻,经多次加载卸载后,电阻变化率逐渐减小并趋于稳定值;卸载后电阻恢复率不断增加,最终可完全恢复。     

碳纤维/环氧树脂复合材料微波固化试验

采用微波固化技术,对碳纤维/环氧树脂复合材料NOL环试样进行固化试验研究。通过开展力学性能测试、电镜扫描及CT扫描,对比分析了热固化与微波固化试样宏观力学性能及微细观形态。结果表明:微波固化与热固化的固化机理不同,微波固化提高了固化反应速率,固化周期缩短了57%;微波固化试样的拉伸强度和层间剪切强度与热固化试样基本相当,但微波固化试样力学性能离散系数更小,碳纤维表面有更多的树脂基体粘附,这是由于微波固化的选择性加热造成的;微波固化试样孔隙率为0.78%～1.05%,稍低于热固化试样。     

电子束固化PVP 非共价功能化碳纳米管/ 环氧树脂

先制得PVP非共价功能化的多壁碳纳米管(MWNTs),而后利用电子束辐射固化制备PVP功能化的MWNTs(PVP-MWNTs)/环氧树脂复合材料。对PVP-MWNTs进行FTIR光谱表征及热重分析,表明碳纳米管表面有PVP包覆,PVP功能化的MWNTs的碳纳米管在环氧树脂中有良好的分散性。对电子束固化的复合材料进行拉伸性能测试,1.0wt%PVP-MWNTs/环氧树脂复合材料的拉伸模量较纯环氧树脂提高25%。动态力学性能分析表明添加PVP-MWNTs提高了环氧基体的储能模量。