納米碳管_環(huán)氧樹(shù)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(bào)JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.31No.15Aug.2009DOI:10.3963/j.issn.167124431.2009.15.008納米碳管/環(huán)氧樹(shù)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的彎曲強(qiáng)度、,其界面結(jié)合較強(qiáng)。關(guān)鍵詞:;中圖分類號(hào):TB:A文章編號(hào):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(shù)脂具有優(yōu)良的粘結(jié)、耐腐蝕、絕緣、高強(qiáng)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(shù)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(diǎn),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(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)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(bào)道以來(lái),其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、奇異的性能和潛在的應(yīng)用價(jià)值,引起了科學(xué)家們極大的研究興趣。近年來(lái),各國(guó)科學(xué)家們?cè)谥铝τ诩{米碳管低成本、批量化、可控化生產(chǎn)的同時(shí),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(gè)最具發(fā)展?jié)摿Φ男骂I(lǐng)域。目前,國(guó)內(nèi)外已有不少報(bào)道利用納米碳管來(lái)增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)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(xiàng)目:湖北省教育廳優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助計(jì)劃項(xiàng)目(T200402)和武漢科技大學(xué)科學(xué)基金(2008TD06).作者簡(jiǎn)介:李其祥(19542),男,高級(jí)工程師.E2mail:lqx195400武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)2009年8月26環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料力學(xué)性能的系統(tǒng)研究并不多見(jiàn)。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(shù)脂復(fù)合材料,考察了不同納米碳管的添加量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,并利用掃描電鏡對(duì)復(fù)合材料的斷面形貌進(jìn)行了微觀分析。1實(shí)驗(yàn)1)原料環(huán)氧樹(shù)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(wú)錫樹(shù)脂廠。多壁納米碳管(實(shí)驗(yàn)室自制,純度95%,具體制備方法見(jiàn)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(shù)脂復(fù)合材料制備將一定量(按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))的多壁納米碳管樣品分散在一定量的有機(jī)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(shù)脂中,機(jī)械強(qiáng)力攪拌0.5h。待樹(shù)脂冷卻后加入一定量的固化劑,機(jī)溶劑,最后注入模具內(nèi),室溫固化24h。3)納米碳管/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料測(cè)試分析2型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(LEO1530型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)22.1多壁納米碳管和環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的形貌圖1為所用多

8、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(zhǎng)度約為100500m。圖2為環(huán)氧樹(shù)脂及其納米碳管復(fù)合材料不同力學(xué)性能測(cè)試樣品的光學(xué)照片,從照片中可以看出純環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂及其納米碳管復(fù)合材料的力學(xué)性能一般來(lái)說(shuō),力學(xué)性能測(cè)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(qiáng)度和韌性的共同體現(xiàn),它最終與界面粘結(jié)強(qiáng)度和界面松馳緊密相關(guān)12。純環(huán)氧樹(shù)脂和納米碳復(fù)合材料的力學(xué)性能測(cè)試曲線如圖3所示,由圖3(a)的彎曲伸長(zhǎng)2強(qiáng)度曲線可以看出:曲線A(即純樹(shù)脂基體)包圍的面積最小,曲線斜率大,在頂點(diǎn)

9、附近呈折線垂直下滑,說(shuō)明此時(shí)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(diǎn)附近出現(xiàn)了韌性平臺(tái)。復(fù)合材料的韌性有所提高,其彎曲強(qiáng)度由22.1MPa提高到26.7MPa,提高了20%。添加等量經(jīng)有機(jī)溶劑分散后的納米碳管后,發(fā)現(xiàn)曲線C的韌性平臺(tái)非常明顯,說(shuō)明復(fù)合材料的韌性大大提高,但是彎曲強(qiáng)度略有下降,這與復(fù)合材料中少量未完全脫除的有機(jī)溶劑有關(guān)13。由圖3(b)的壓縮形變2強(qiáng)度曲線可以看出:曲線A(即純樹(shù)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(guò)中其中間部分凸起變大有關(guān)。添加少量納米碳管(0.1%、0.5%

10、)后,復(fù)合材料(曲線B、C)的抗壓強(qiáng)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(shí),復(fù)合材料(曲線D)的強(qiáng)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(shù)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(diǎn)附近出現(xiàn)了韌性平臺(tái),這說(shuō)明復(fù)合材料的強(qiáng)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(shí),曲線下包圍的面積較大,且出現(xiàn)了較長(zhǎng)的韌性平臺(tái),說(shuō)明此時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂的增強(qiáng)增韌效果最好。當(dāng)納米碳管用量為0.5%(曲線C)時(shí),復(fù)合材料應(yīng)力2應(yīng)變曲線中

11、有比較明顯的屈服點(diǎn),復(fù)合材料在屈服點(diǎn)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(shí),如5.0%(曲線F)和10.0%(曲線G),復(fù)合材料在屈服點(diǎn)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(shù)脂復(fù)合材料的力學(xué)性能研究27曲線與純環(huán)氧樹(shù)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(qiáng)度較純環(huán)氧樹(shù)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(qiáng)度、提高。量達(dá)到3.0%時(shí),32.0MPa提高到63.5MPa,拉伸模量由1.86GPa提高到3.2Gpa,斷裂伸長(zhǎng)由1.

12、21mm提高到2.62mm,分別比純環(huán)氧樹(shù)脂的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量和斷裂伸長(zhǎng)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(shí),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(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)明顯下降?？赡茉蚴羌{米碳管的加入量增大后造成環(huán)氧樹(shù)脂粘度提高,流動(dòng)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(shí),孔洞區(qū)域首先被破壞,導(dǎo)致復(fù)合材料強(qiáng)度下降。2.3環(huán)氧樹(shù)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(gè)非常困難且普遍存在的問(wèn)題。復(fù)合材料的性能不僅取

13、決于復(fù)合體系自身的特點(diǎn),還取決于增強(qiáng)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(bào)2009年8月28結(jié)強(qiáng)度。環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(gè)方向擴(kuò)展(即宏觀開(kāi)裂)的作用,造成裂紋呈雜亂無(wú)章排列。另外,因?yàn)榧{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充分、更

14、牢固,相互作用較強(qiáng),從而使拉伸測(cè)試時(shí)作用在樹(shù)脂上的負(fù)載通過(guò)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(kuò)展15,最終使納米碳管/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合的力學(xué)性能得到大幅度提高。將圖5(c)進(jìn)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(diǎn),亮點(diǎn)即為納米碳管的端頭。這表明采用有機(jī)溶劑-超聲波相結(jié)合分散工藝,可以使納米碳管在樹(shù)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(jī)械外力作用不能使其在樹(shù)脂基體中有效分散,局部團(tuán)聚(圖5(f)在復(fù)合材料承載時(shí)成為斷裂源,不但起不到增強(qiáng)效果,3結(jié)論a./環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。b.、壓縮強(qiáng)度和拉伸

15、強(qiáng)度具有明顯的改善效果,當(dāng)納米碳管的添加量為3.0%時(shí),、拉伸模量和斷裂伸長(zhǎng)分別比純環(huán)氧樹(shù)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(shí),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(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)明顯下降。c.復(fù)合材料斷面微觀分析表明采用有機(jī)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(shù)脂中得到有效分散。參考文獻(xiàn)1王德中.環(huán)氧樹(shù)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):56258.3And

16、rewsR,WeisenbergerMC.CarbonNanotubePolymerCompositesJ.CurrentOpinioninSolidStateandMaterialsSci2ence,2004,1(8):31237.4BreuerO,UttandaramanSundararaJ.BigReturnsfromSmallFibers:AReviewofPolymer/CarbonNanotubeCompositesJ.PolymerComposites,2004,25(6):6302645.5王繼勇,王湘,唐傳球,等.納米碳管/聚醚酮酮復(fù)合材料的研究J.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005

17、,27(8):8210.6鄭亞萍,陳青華,陳立新,等.納米碳管/環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料的研究J.高分子材料科學(xué)與工程,2006,22(4):2162218.7汪華鋒,李振華,王新慶,等.碳納米管/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的制備及力學(xué)性能J.復(fù)合材料學(xué)報(bào),2004,21(5):48251.8梁叔全,賈春燕,唐艷.碳納米管/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料力學(xué)性能的研究J.礦冶工程,2008,28(5):94296.9高新春,宋懷河,郭鵬,等.碳納米管添加量對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料性能的影響J.炭素技術(shù),2007,26(2):13217.10李貞,段躍新,梁志勇.納米碳管/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料力學(xué)性能研究J.宇航材料工藝,2006

18、(3):29232.11LiXuanke,YuanGuanming,AidanWestwood,etal.ThePreparationandCVDDensificationofMulti2walledCarbonNan2otubeFeltSynthesisedbyaCatalyticCVDMethodJ.ChemicalVaporDeposition,2008,14(122):40245.12凌興珠,徐振民.TiB2顆粒增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料研究J.有色金屬,1998(2):992103.13Kin2takLau,MeiLu,Chun2kiLam,etal.ThermalandMechanicalPropertiesofSingle2walledCarbonNanotubeBundle2re2inforcedEpoxyNanocomposites2theRoleofSolventforNanotubeDispersionJ.CompositesScienceandTechnology,2005,65(5):7192725.14ZhouX,EungsooShin,WangKW,etal.InterfacialDa