歐委會(huì)研究中心：復(fù)合材料或引發(fā)集裝箱革命(完整版)實(shí)用資料

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歐委會(huì)研究中心：復(fù)合材料或引發(fā)集裝箱革命歐委會(huì)研究中心：復(fù)合材料或引發(fā)集裝箱革命（完整版）實(shí)用資料(可以直接使用，可編輯完整版實(shí)用資料，歡迎下載）集裝箱可以說(shuō)是一項(xiàng)偉大的發(fā)明，因?yàn)槭褂眉b箱轉(zhuǎn)運(yùn)貨物，可直接在發(fā)貨人的倉(cāng)庫(kù)裝貨，運(yùn)到收貨人的倉(cāng)庫(kù)卸貨，中途更換車(chē)、船時(shí)，無(wú)須將貨物從箱內(nèi)取出換裝。但自1956年美國(guó)發(fā)明家MalcolmMclean提出集裝箱理念后，集裝箱的形式幾乎一直未變。集裝箱結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料集裝箱的優(yōu)勢(shì)在上月于芝加哥舉行的美國(guó)科學(xué)進(jìn)步協(xié)會(huì)會(huì)議上，來(lái)自歐洲委員會(huì)聯(lián)合研究中心的StephanLechner提出，碳纖維復(fù)合材料可能引起集裝箱這一全球貿(mào)易重要工具的革命性變化，并對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)論述。盡管一個(gè)復(fù)合材料集裝箱可能需花費(fèi)6000歐元（8300美元），而一個(gè)鋼制集裝箱只需花費(fèi)2200歐元/噸（3050美元），但在柴油機(jī)燃料成本為1.6歐元/升（8.4美元/加侖）的情況下，當(dāng)航程接近120，000千米（74，500英里）時(shí)，兩者的成本就能打成平手，因?yàn)閺?fù)合材料集裝箱的重量?jī)H為1.2噸，而鋼制集裝箱為2.2噸，耗油量較大。而且相比之下，復(fù)合材料集裝箱更耐腐蝕。復(fù)合材料集裝箱能制成可折疊的形式，意味著在返程時(shí)這些集裝箱可以平放，節(jié)省空間。同時(shí)，它們更具安全性，因?yàn)闊o(wú)需打開(kāi)就能掃描內(nèi)部貨物。在2006年，美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)一項(xiàng)法令，規(guī)定所有從國(guó)外進(jìn)入美國(guó)港口的集裝箱都需經(jīng)過(guò)掃描，以防非法材料和非法入境者，但因技術(shù)問(wèn)題最后期限繼續(xù)推遲：掃描鋼制集裝箱需要高功率X射線，或者甚至伽瑪射線，成本非常高，而且具有危險(xiǎn)性。但碳纖維復(fù)合材料集裝箱則不同，可以通過(guò)軟X射線掃描，這種X射線生成和使用都較為容易。AirCargoContainers推出輕量化空運(yùn)集裝箱輕量化集裝箱在航空運(yùn)輸業(yè)也有較大發(fā)展。在相關(guān)發(fā)展中，TenCateAdvancedArmorUSA（俄亥俄州，紐瓦克市）已與AirCargoContainers（亞利桑那州菲尼斯克）簽訂合作協(xié)議，共同制造輕量化航空貨運(yùn)集裝箱。這種復(fù)合材料空運(yùn)集裝箱凈重僅為480磅（218千克），相比鋁制集裝箱輕350鎊（159千克），減重42%。兩公司合作生產(chǎn)的輕量化航空貨運(yùn)集裝箱2021年12月，AirCargoContainers推出的輕量化復(fù)合材料AMJ成組裝運(yùn)設(shè)備被授予TSOC90認(rèn)證。這是首款獲得美國(guó)聯(lián)邦航空管理局認(rèn)證的全復(fù)合材料集裝箱，它的側(cè)板和地板由獲得專(zhuān)利的復(fù)合材料制成，四周嵌合航空級(jí)鋁制框架，具備質(zhì)輕、耐用、阻燃、容易養(yǎng)護(hù)的特點(diǎn)。這種復(fù)合材料的供應(yīng)和整個(gè)集裝箱的裝配將由TenCateAdvancedArmor負(fù)責(zé)。編者總結(jié)就集裝箱的材質(zhì)來(lái)看，目前主要可分為三種：鋼制集裝箱、鋁合金集裝箱、玻璃鋼集裝箱，此外還有木集裝箱、不銹鋼集裝箱等。復(fù)合材料集裝箱目前并不普及，但貴在質(zhì)輕。同時(shí)隨著科研技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料集裝箱在耐腐蝕性、耐沖擊性方面顯著提升，相信未來(lái)在國(guó)際貿(mào)易貨物裝運(yùn)中必有可為?？招那?環(huán)氧復(fù)合材料的阻尼性能研究顧健,武高輝(哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱150001摘要針對(duì)目前日益嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題,本文采用浸滲法分別制得了兩種空心球(空心微珠FA和Al2O3空心球/環(huán)氧(EP復(fù)合材料,并對(duì)其進(jìn)行了密度、微觀形貌和阻尼性能進(jìn)行了研究。首先通過(guò)排水法測(cè)試了復(fù)合材料的密度,結(jié)果顯示空心微珠/環(huán)氧復(fù)合材料的密度(1.12g/cm3要高于Al2O3空心球/環(huán)氧復(fù)合材料的密度(1.06g/cm3,通過(guò)復(fù)合材料表面和斷口的掃描(SEM照片觀察發(fā)現(xiàn)空心球在基體中分布均勻,并與基體粘結(jié)較好;阻尼性能的測(cè)試是采用動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析儀(DMA,通過(guò)拉伸-壓縮的方法在變溫條件下完成的,研究結(jié)果顯示,相同體積分?jǐn)?shù)下,空心微珠/環(huán)氧復(fù)合材料的損耗因子高出Al2O3空心球/環(huán)氧復(fù)合材料0.035左右,計(jì)算表明兩者的阻尼/密度比(比密度阻尼相近。但是前者的阻尼溫域(Ttanδ>0.5更寬,顯示了良好的阻尼性能。因此這兩種材料在減振降噪、環(huán)保和汽車(chē)等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞復(fù)合材料阻尼性能空心微珠Al2O3空心球中圖分類(lèi)號(hào)TB3320前言現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展帶給人們方便和舒適的生活,但同時(shí)也造成了許多嚴(yán)重的問(wèn)題,如資源浪費(fèi)、環(huán)境污染(振動(dòng)和噪聲的污染等,為了解決日益嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題,阻尼材料的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用就顯得非常重要[1]?？招奈⒅槭且环N新型的環(huán)境材料,是由火力發(fā)電廠煤炭燃燒后的粉煤灰中提取出來(lái),其主要成分是硅鋁酸類(lèi)無(wú)機(jī)粉體材料。作為一種工業(yè)廢料,其成本低廉,并且大量使用對(duì)于環(huán)境保護(hù)和廢物利用有積極的社會(huì)意義,此外,由于具有低密度、填充性能好、球形顆粒的應(yīng)力集中小、低導(dǎo)熱、高分散性和易加工等優(yōu)勢(shì)[2],目前許多學(xué)者都在深入研究利用空心微珠來(lái)合成新材料以解決上述問(wèn)題[3,4]。Al2O3空心球是一種工業(yè)產(chǎn)的空心陶瓷球,其主要成分是Al2O3。與其他空心球相比,也具有低密度(0.4g/cm3~0.6g/cm3、低成本等方面的優(yōu)勢(shì)。環(huán)氧樹(shù)脂(EP是常用的工業(yè)產(chǎn)品,具有耐熱、耐潮濕、化學(xué)穩(wěn)定性好和揮發(fā)性小等優(yōu)點(diǎn),并且與許多材料具有良好的粘結(jié)性能[5]。蔡小燁等人[6]進(jìn)行了含SiO2微球環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)研究,測(cè)定了材料壓縮模量和抗壓強(qiáng)度。并進(jìn)行了微觀壓縮的全程觀察,分析了不同SiO2微球含量的材料在壓縮過(guò)程中的破壞模式。Huang和Gibson[7]提出了空心微珠填充復(fù)合材料彈性模量的數(shù)學(xué)方法。國(guó)內(nèi),盧子興等[8,9]提出了對(duì)含有有限體積比的、一般空心微珠增強(qiáng)的復(fù)合材料有效模量的一些預(yù)測(cè)方法,并最先開(kāi)展了聚氨酯復(fù)合泡沫塑料力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究。Gupta等[10]利用實(shí)驗(yàn)手段,研究了填充微珠壁厚對(duì)環(huán)氧復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,還考慮了試件長(zhǎng)寬比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。而對(duì)于空心球/聚合物的阻尼性能研究的報(bào)道很少。因此本實(shí)驗(yàn)采用改性環(huán)氧樹(shù)脂為基體,制得空心微珠和Al2O3空心球/環(huán)氧兩種復(fù)合材料。并對(duì)其密度、阻尼性能和微觀形貌等進(jìn)行了分析和研究。1材料制備和試驗(yàn)方法1.1原料環(huán)氧樹(shù)脂(A組分:E-51、B組分:固化劑和促進(jìn)劑;聚氨酯(A組分:異氰酸酯、B組分:聚醚型固化劑、促進(jìn)劑等;環(huán)氧丙烷丁基醚(活性稀釋劑501,分析純;γ-氨丙基三乙氧基硅烷(硅烷偶聯(lián)劑KH-550,分析純;填料:空心微珠:密度約為0.57g/cm3~0.70g/cm3。Al2O3空心球:密度約為0.4g/cm3~0.6g/cm3,粒徑為0.5mm~2mm。1.2復(fù)合材料的制備將環(huán)氧樹(shù)脂A組分及B組分按3:1混合于60℃恒溫?cái)嚢韬?再以2:1的比例依次加入聚氨酯A組分及B組分混勻,加入稀釋劑和消泡劑攪勻后,再加入已表面改性的空心微珠和Al2O3空心球,通過(guò)超聲分散和真空脫泡,將混合漿料注入到模具中固化得到復(fù)合材料,其中空心微珠和Al2O3空心球的體積分?jǐn)?shù)相同。表1列出了制得的三種材料。表1制備的三種材料1.3密度測(cè)試、形貌觀察及阻尼性能測(cè)試密度測(cè)試:采用排水法分別測(cè)試了空心微珠和Al2O3空心球/環(huán)氧復(fù)合材料的密度。形貌觀察:采用掃描電鏡對(duì)拉伸試樣的斷面進(jìn)行了形貌觀察和分析。動(dòng)態(tài)力學(xué)分析(DynamicMechanicalAnalysis,DMA:在MAK-04型粘彈分析儀上采用拉伸-壓縮的方法測(cè)試;樣品尺寸為30mm3×5mm3×2mm3;tanδ-T測(cè)試的頻率為30Hz,溫度掃描區(qū)間為-40℃~150℃,測(cè)試過(guò)程的升溫速率為3℃·min-1;試驗(yàn)氣氛為氬氣。2結(jié)果與討論2.1密度測(cè)試復(fù)合材料的密度通過(guò)排水法測(cè)得。將四次測(cè)試結(jié)果取平均值得到如表2所列。表2兩種復(fù)合材料的密度由表2可見(jiàn),未添加空心微珠的改性環(huán)氧樹(shù)脂密度基體較大,達(dá)到1.41g/cm3,而添加了30%(體積分?jǐn)?shù)空心微珠的復(fù)合材料密度降到1.12g/cm3,降低了20.6%。此外,添加Al2O3空心球的復(fù)合材料密度降低更過(guò),約為1.06g/cm3,低于添加空心微珠的環(huán)氧復(fù)合材料密度。說(shuō)明空心微珠和Al2O3空心球的加入在改性環(huán)氧樹(shù)脂基體內(nèi)引入了宏觀的孔洞和少量氣孔,而這些孔洞和少量氣孔不僅降低了復(fù)合材料的密度,而且也對(duì)阻尼產(chǎn)生一定的促進(jìn)作用;并且材料中大量氣孔也增強(qiáng)了降噪效果[11]。2.2微觀形貌圖1分別給出了空心微珠/環(huán)氧和Al2O3空心球/環(huán)氧復(fù)合材料的斷口形貌。從圖中可以看出,空心微珠和Al2O3空心球均為球形顆粒。在空心微珠/環(huán)氧復(fù)合材料中(圖(a和(c,空心微珠均勻的分散在基體中,并且與基體結(jié)合良好。這主要是因?yàn)榻?jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑表面處理后,在微珠的表面形成無(wú)機(jī)相-硅烷偶聯(lián)劑-有機(jī)相的界面結(jié)合層,從而使空心微珠對(duì)基體的潤(rùn)濕性有所改善,但形成的仍是弱相界面。相鄰空心微珠之間有足夠的距離使空心微珠充分流動(dòng),就可能在界面處通過(guò)摩擦消耗大量的能量。在Al2O3空心球/環(huán)氧復(fù)合材料中(圖(b,由于Al2O3空心球本身的粒徑很大,達(dá)到2mm左右,因此在掃描照片中顯得比較大,但從斷口也可以看出,其與基體的結(jié)合也是較好的,說(shuō)明Al2O3空心球與基體也具有良好的浸潤(rùn)性。2.3阻尼性能圖2是空心微珠/環(huán)氧和Al2O3空心球/環(huán)氧復(fù)合材料的tanδ-T曲線。從圖中可以看出,環(huán)氧基體的損耗因子(tanδ峰值為0.536,而添加相同體積分?jǐn)?shù)的空心微珠和Al2O3空心球后,兩種復(fù)合材料的tanδ峰值都明顯增加,且復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度向低溫移動(dòng),說(shuō)明空心球的加入提高了環(huán)氧樹(shù)脂的阻尼能力。這是因?yàn)閺?fù)合材料的阻尼主要來(lái)源于基體材料的粘彈性[12],隨著溫度的升高,在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度區(qū)tanδ達(dá)到峰值。所以在相同體積分?jǐn)?shù)下,基體粘彈性對(duì)阻尼的貢獻(xiàn)相當(dāng)。與此同時(shí),當(dāng)添加空心微珠和Al2O3空心球后,引入了界面摩擦阻尼和球內(nèi)氣體熱阻尼等微觀機(jī)理,增加了復(fù)合材料在受激下的耗能,提高了阻尼能力。此外,空心微珠/環(huán)氧復(fù)合材料的損耗因子要略高出Al2O3空心球/環(huán)氧復(fù)合材料約0.03,并且計(jì)算得到兩者的阻尼/密度比(比密度阻尼也相差不大。以損耗因子tanδ值大于0.5所對(duì)應(yīng)的溫域范圍作為評(píng)判阻尼性能優(yōu)劣的另一個(gè)因素。通過(guò)比較可知,添加空心微珠時(shí),復(fù)合材料對(duì)應(yīng)的高阻尼溫域?yàn)?9℃,而添加Al2O3空心球復(fù)合材料的高阻尼溫域?yàn)?5℃,并且前者的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度要低于后者,由此可見(jiàn),添加空心微珠復(fù)合材料的阻尼性能相對(duì)更好。ba圖1兩種復(fù)合材料的斷口形貌(a,(c空心微珠/環(huán)氧;(bAl2O3空心球/環(huán)氧。圖2復(fù)合材料的tanδ-T曲線3結(jié)論(1空心微珠/環(huán)氧和Al2O3空心球/環(huán)氧復(fù)合材料的tanδ-T曲線表明,環(huán)氧基體的tanδ峰值為0.536,而添加相同體積分?jǐn)?shù)的空心微珠和Al2O3空心球后,復(fù)合材料的tanδ峰值都明顯增加,說(shuō)明空心微珠和Al2O3空心球的加入改善了環(huán)氧樹(shù)脂的阻尼性能。其中空心微珠/環(huán)氧復(fù)合材料的損耗因子要略高出Al2O3空心球/環(huán)氧復(fù)合材料0.035左右,但計(jì)算表明兩者的阻尼/密度比(比密度阻尼接近。同時(shí),空心微珠/環(huán)氧復(fù)合材料的高阻尼溫域(Ttanδ>0.5達(dá)到69℃,阻尼性能相對(duì)更好。(2密度測(cè)試表明,空心微珠/環(huán)氧和Al2O3空心球/環(huán)氧復(fù)合材料的密度分別為1.12g/cm3和1.06g/cm3,比環(huán)氧樹(shù)脂的密度低很多。(3空心微珠/環(huán)氧和Al2O3空心球/環(huán)氧復(fù)合材料的斷口形貌表明,空心微珠均勻的分散到基體中,并且與基體的結(jié)合良好,而Al2O3空心球與基體也具有良好的浸潤(rùn)性。參考文獻(xiàn)[1]謝賢清,范同祥,張荻,等.高阻尼木質(zhì)陶瓷/MB15復(fù)合材料的制備及性能分析[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2003,20(1:7-11.[2]LIRKY,LIANGJZ,TJONGSC.Morphologyanddynamicmechanicalpropertiesofglassbeadsfilledlowdensitypolyethylenecomposites[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,1998,79:59-65.[3]VIKRANTT,AURNS,ARIJITB.Acousticpropertiesofcenospherereinforcedcementandasphaltconcrete[J].AppliedAcoustics,2004,65:263-275.[4]萬(wàn)超瑛,張勇,徐宏,等.超細(xì)空心微珠填充聚氯乙稀復(fù)合材料的研究[J].工程塑料應(yīng)用,2003,31(9:15-18.[5]陳平,劉勝平.環(huán)氧樹(shù)脂[M].化學(xué)工業(yè)出版社,北京:1999.[6]蔡小燁,梁小清,尚嘉蘭.SiO2微球復(fù)合材料力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究.復(fù)合材料學(xué)報(bào).1994,11(4:69-75.[7]HUANGJS,GIBSONLJ.Elasticmoduliofacompositeofhollowspheresinamatrix[J].JMechPhysSolids,1993,41(1:55-75.[8]盧子興,嚴(yán)寒冰.復(fù)合泡沫塑料有效模量的預(yù)測(cè)方法[A].見(jiàn):徐秉業(yè),黃筑平主編,塑性力學(xué)和地球動(dòng)力學(xué)進(jìn)展[C].北京:萬(wàn)國(guó)學(xué)術(shù)出版社,2000,111-117.[9]盧子興,嚴(yán)寒冰,劉波,等.復(fù)合泡沫塑料力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究[A].見(jiàn):白以龍,楊衛(wèi)主編.力學(xué)2000[C].北京:氣象出版社,2000,584-586.[10]GUPTAN,WOLDESENBETE,MENSHP.Compressionpropertiesofsyntacticfoams:Effectofcenosphereradiusratioandspecimenaspectratio[J].CompositesPartA,2004,35(1:103-111.[11]陳艷秋,李劍鋒,王積森,孫杰.聚合礦物復(fù)合材料的阻尼性能和減振機(jī)理[J].振動(dòng)與噪聲控制,1998,5:34-36.[12]COUSINP,SMITHP.DynamicMechanicalPropertiesofSulfonatedPolystyrene/AluminaComposites[J].JPolymSci:PolymPhysEd,1994,32(3:459-468.作者簡(jiǎn)介:顧健,男,1980年出生,博士研究生,主要研究方向?yàn)檩p質(zhì)阻尼材料。E-mail:gujian9804@163StudyonDampingPropertiesofEpoxyCompositesFilledWithHollowSpheresGUJian,WUGaohui(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001AbstractAccordingtotheincreasingsevereproblemsofvibrationandnoise,twokindsofhollowspheres(flyash(FAandAl2O3microspheres/epoxyencapsulationcompositeswerepreparedbyinfiltrationinourpaper.Thedensity,morphologyaswellasdampingpropertiesofcompositeswereinvestigated.Specifically,thedensitiesofcompositesweremeasuredbythedrainage,andtheresultsindicatedthatthedensityofFA/epoxycompositeswas1.12g/cm3,whichwashigherthanthatofAl2O3microspheres/epoxycomposites(1.06g/cm3.SEMfractographsshowedthatthehollowspheresweredistributedintothematrixhomogeneously,andcombinedwellwiththematrix.Dampingofhollowspheres/epoxycompositeswasperformedinatemperature(-40℃~150℃byusingatension-compressionmode.Theresultsdisplayedthatthepeaklossfactor(tanδandthelossfactor/density(specificdensitydampingofFA/epoxycompositewasclosetothatofAl2O3microspheres/epoxycompositewiththesamevolumefraction,whichindicatedthatthesetwocompositeshavegooddampingproperties.Therefore,thetwocompositeshadtheextensiveapplicationforegroundinthefieldsofvibrationandnoise,environmentalprotectionandautomotive.KeywordsCompositesDampingpropertiesFlyashAlO3hollowspheres磨碎碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的性能研究Ξ牛牧童,吳偉端,陳名名(華僑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,福建泉州362021摘要:利用兩種不同的磨碎碳纖維粉體(CFP填充環(huán)氧樹(shù)脂(EP,通過(guò)熔融共混制備了EP/CFP復(fù)合材料。研究了CFP含量、長(zhǎng)度與復(fù)合材料導(dǎo)電性能、力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能的關(guān)系,并考察了材料斷口形貌。研究表明:P-100型CFP填充的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí),EP/CFP材料的體積電阻率為1134×106Ω?cm;拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量、沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度較EP分別提高了124%、186%、9817%和6617%,同時(shí)材料的熱穩(wěn)定性也略有提高。關(guān)鍵詞:磨碎碳纖維;環(huán)氧樹(shù)脂;導(dǎo)電性能;力學(xué)性能中圖分類(lèi)號(hào):TQ327文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1005-5770(200608-0054-03StudyofPropertyofEpoxyResinReinforcedbyCarbonFiberPowderNIUMu2tong,WUWei2duan,CHENMing2ming(CollegeofMaterialSci1&Eng1,HuaqiaoUniversity,Quanzhou362021,ChinaAbatract:Epoxyresin(EP/carbonfiberpowder(CFPcompositeswerepreparedbymeltblendingEPwithtwotypesofCFP1Therelationshipoftheelectrical,mechanicalandthermalpropertiesoftheEP/CFPcomposites,aswellasthefracturesurfacesofthecomposite,wasstudied1TheresultshowedthatwhenthemasspercentaageofP2100CFPwas25%,thevolumeresistivityofthecompositewas1134×106Ω?cm,whilethetensilestrength,tensileelasticmodulus,impactstrengthandbendingstrengthincreasedby124%,186%,9817%and6617%re2spectively,andthethermalpropertiesofthecompositewerealsoimprovedslightly,comparedtopristineEP1Keywords:CarbonFiberPowder;EpoxyResin;ElectricalConductivity;MechanicalProperties磨碎碳纖維(CFP是將連續(xù)碳纖維經(jīng)高溫脫膠、短切、研磨成設(shè)定長(zhǎng)度的圓柱形微粒,它保留了碳纖維的眾多優(yōu)良性能,而且形狀細(xì)小,表面純凈,比表面積大,易于被樹(shù)脂潤(rùn)濕均勻分散,是性能優(yōu)良的復(fù)合材料填料[1]。本文采用熔融共混法,將兩種不同長(zhǎng)度的CFP與環(huán)氧樹(shù)脂(EP復(fù)合,制備了電阻率明顯降低,綜合力學(xué)性能顯著提高的EP/CFP導(dǎo)電復(fù)合材料。1實(shí)驗(yàn)部分111主要原料與設(shè)備EP:E244型,江西宜春市瑞達(dá)化工廠;CFP:P2100型,瀝青基,中值長(zhǎng)度75~150μm,直徑7~10μm;P2400型,瀝青基,中值長(zhǎng)度為250~500μm,直徑7~10μm,鞍山賽諾達(dá)碳纖維;固化劑:聚酰胺651,江西贛西化工廠。萬(wàn)能拉力機(jī):CMT6104型,深圳新三思材料檢驗(yàn)公司;擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī):ZBC型,深圳新三思材料檢驗(yàn)公司;高阻計(jì):ZC236型,上海精密科學(xué)儀器;電子掃描顯微鏡:S3500N型,美國(guó)BRUKER公司;DSC2TGA:SDT2960Simultaneous型,美國(guó)TA公司。112CFP/EP材料制備稱(chēng)取一定量的EP,水浴預(yù)加熱至80℃,加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的P2100型或P2400型CFP,攪拌3h,攪拌速度為1000r/min,冷卻至室溫,加入約50%EP質(zhì)量的固化劑聚酰胺561,緩慢攪勻,澆鑄于自制模具中成型。室溫固化12h后,于110℃再固化3h,即制得CFP/EP樣品,打磨成標(biāo)準(zhǔn)試樣。113材料性能檢測(cè)電性能檢測(cè):對(duì)體積電阻Rv>1×107Ω的樣片用高阻計(jì)按GB/T1410—1989進(jìn)行測(cè)試;對(duì)體積電阻Rv≤1×107Ω的樣片用數(shù)字萬(wàn)用表在標(biāo)準(zhǔn)電極上按照GB/T1410—1989測(cè)試。力學(xué)性能檢測(cè):拉伸試驗(yàn)按GB/T1040—1992測(cè)試,彎曲試驗(yàn)按GB/T1042—1992測(cè)試,沖擊試驗(yàn)按GB/T1043—1992測(cè)試,無(wú)缺口試樣。斷面形貌:用SEM觀察試樣的拉伸斷口的形貌?45?塑料工業(yè)CHINAPLASTICSINDUSTRY第34卷第8期2006年8月Ξ作者簡(jiǎn)介:牛牧童,男,24歲,碩士生,從事無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合材料的研究。wwduan@hqu1edu1cn并拍照。熱穩(wěn)定性測(cè)試(TG:將被測(cè)熱樣品在高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下從室溫加到700℃,升溫速度為20℃/min。2結(jié)果與討論211CFP用量和長(zhǎng)度對(duì)EP/CFP復(fù)合材料體積電阻率的影響圖1CFP用量和長(zhǎng)度對(duì)EP/CFP體積電阻率的影響Fig1EffectofCFPcontentandlengthonvolumeresistivityofEP/CFPcomposite圖1為CFP含量和長(zhǎng)度對(duì)EP/CFP體積電阻率的影響。由圖1可知,EP固化樣的體積電阻率ρV約為1015Ω?cm。當(dāng)P2100CFP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%~10%時(shí),EP/CFP復(fù)合材料的ρV高于1013Ω?cm,屬絕緣體。當(dāng)P2100CFP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至15%時(shí),體系ρV急劇下降至7161×106Ω?cm,出現(xiàn)“滲濾”現(xiàn)象。原因是隨著CFP填充量的增加,CFP彼此間搭接形成網(wǎng)絡(luò)的幾率增大,復(fù)合體系內(nèi)形成了較完整的CFP導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。之后,填料含量的增加對(duì)復(fù)合材料體積電阻的影響趨于平緩。碳纖維的長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合材料的導(dǎo)電性能有顯著影響[2]。由圖1知,CPF含量相同、長(zhǎng)度不同時(shí),復(fù)合材料的ρV也不同。P2100CFP填充的試樣的滲濾域值約為10%,而長(zhǎng)度較大的P2400CFP填充的試樣約為8%。這是因?yàn)殚L(zhǎng)度越大,纖維搭接為導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的幾率越大,形成網(wǎng)絡(luò)需要的纖維量就越小,從而降低了導(dǎo)電復(fù)合材料的滲濾域值。212CFP用量和長(zhǎng)度對(duì)CFP/EP復(fù)合材料力學(xué)性能的影響圖2CFP的用量和長(zhǎng)度對(duì)EP/CFP復(fù)合材料力學(xué)性能的影響Fig2EffectofCFPcontentandlengthonmechanicalpropertiesofcomposite圖2為CFP的用量和長(zhǎng)度對(duì)EP/CFP復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。由圖2可知,P2100CFP填充試樣的拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量和沖擊強(qiáng)度隨CFP含量的增加而增大,在CFP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)10%后性能提升更為顯著;當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí),材料的上述力學(xué)性能出現(xiàn)最大值,分別為4413MPa、991MPa和6114kJ/m2,分別比EP提高了124%、186%和9817%;但當(dāng)CFP質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時(shí),出現(xiàn)了突降。復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度則隨著CFP用量的增加略有減小,在CFP用量超過(guò)10%以后又不斷上升,在CFP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí),增至120MPa,比EP提高了6715%。原因如下:在纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料中,基體樹(shù)脂通過(guò)界面將應(yīng)力傳遞給高強(qiáng)度纖維,從而提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能[3]。當(dāng)CFP質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%時(shí),基體內(nèi)的纖維數(shù)目較少,承受的應(yīng)力也相對(duì)較少,此時(shí)基體不但傳遞應(yīng)力,自身也承受著?55?第34卷第8期牛牧童等:磨碎碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的性能研究一定的應(yīng)力[4],所以材料的力學(xué)性能提升較慢。纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)10%后,隨著基體內(nèi)纖維數(shù)量的增加,纖維承受了主要應(yīng)力,樹(shù)脂主要起傳遞應(yīng)力的作用,所以復(fù)合材料的力學(xué)性能提升幅度增大。但隨著CFP含量的增加,復(fù)合體系中纖維比例加大,體系粘度升高,纖維不能很好地分散,相互摩擦、纏結(jié),容易形成纖維束,使外力作用不能被有效分散,造成應(yīng)力集中,成為斷裂源,從而降低了復(fù)合材料力學(xué)性能;另外,隨著纖維數(shù)目的增多,越來(lái)越多的纖維難以被樹(shù)脂充分潤(rùn)濕,它們會(huì)在復(fù)合材料中形成許多弱粘結(jié)面,在材料受力時(shí)發(fā)生弱界面的脫附拔出,使應(yīng)力傳遞失效,不能對(duì)材料起到力學(xué)補(bǔ)強(qiáng)作用,因此當(dāng)CFP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至30%時(shí),材料的拉伸性能和沖擊性能下降。由圖2還可知,在配比相同時(shí),除個(gè)別配比外,P2400CFP填充試樣的各項(xiàng)力學(xué)性能均低于P2100填充試樣。這是因?yàn)镻2400CFP長(zhǎng)度較大,約為2100型的2~5倍,當(dāng)EP熔體流動(dòng)時(shí),纖維之間產(chǎn)生的摩擦力較大,降低了EP流動(dòng)性能,使體系粘度增大。實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)P2400CFP填充量大于15%時(shí),復(fù)合材料因?yàn)檎扯冗^(guò)大,不再適合澆注成型,而P2100CFP則可以添加到30%。體系粘度的增大使纖維的浸膠性變差,一方面纖維容易纏結(jié)成為纖維束,不能均勻地分散同基體充分接觸;另一方面纖維的潤(rùn)濕性降低,使材料界面粘結(jié)質(zhì)量下降,所以P2400CFP對(duì)EP的力學(xué)補(bǔ)強(qiáng)作用不如P2100CFP。213EP/CFP的形貌分析a-EPb-EP/CFP(20%圖3EP/CFP(P2100復(fù)合材料試樣拉伸斷面的SEM照片F(xiàn)ig3SEMphotographsoffracturesurfacesofEPandEP/CFP(P2100composite圖3為EP/CFP(P2100復(fù)合材料拉伸斷面的SEM照片。由圖3a知,EP發(fā)生的是脆性斷裂,斷口平整,裂紋呈河流狀且較為有序。由圖3b知,EP/CFP(20%斷面凹凸不平,基體上有云片狀扯起形貌,表明材料的韌性有所提高;同時(shí)纖維在EP中分散性好,大多為單根分布,而且與EP粘結(jié)緊密,粘結(jié)邊緣幾乎沒(méi)有縫隙,斷面留有少量CFP的拔出孔洞。這是由于P2100CFP為微米級(jí)粉體,比表面積較大,且與EP主要呈單根接觸,接觸面積較大,兩相間的結(jié)合力相應(yīng)較大。不過(guò)也有少量的CFP與EP粘結(jié)性差,材料破壞時(shí),與EP發(fā)生界面脫附,在斷面留下了較深的拔出孔洞,但P2100CFP粉體形狀細(xì)小,含量較大時(shí),材料內(nèi)纖維根數(shù)很多且分布均勻,總體上復(fù)合材料的力學(xué)性能提升。214EP/CFP的TG熱性能分析表1TG曲線分析結(jié)果Tab1ResultsofTGcurveanalysis試樣T10%/℃T50%/℃Tmax/℃354114051145416樹(shù)脂受熱而裂解氣化時(shí)的溫度稱(chēng)之為熱分解溫度,它是表征物料熱穩(wěn)定性能的重要指標(biāo)之一[5]。從表1可看出,復(fù)合材料的T10%、T50%隨CFP含量的增加變化不大。而Tmax隨著CFP含量的增加緩慢升高。當(dāng)CFP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%,復(fù)合材料的Tmax為45416℃,比純EP分解溫度高718℃,這可能是因?yàn)镃FP在體系中的網(wǎng)狀分布對(duì)EP的熱降解起著阻礙作用;另外CFP提高了基體的熱傳導(dǎo)率,材料受熱更均勻,不易出現(xiàn)局部過(guò)熱分解,致使復(fù)合材料熱降解滯后?？梢?jiàn)增加CFP用量,能提高EP的熱穩(wěn)定性,但幅度不大。3結(jié)論1磨碎碳纖維對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)和導(dǎo)電性能同時(shí)進(jìn)行有效的補(bǔ)強(qiáng)。同等含量下,長(zhǎng)度較大的CPF對(duì)EP/CFP材料的導(dǎo)電性增強(qiáng)效果較好;但對(duì)材料的力學(xué)性能補(bǔ)強(qiáng)效果較弱。2P2100CFP顆粒較為微小,易于在樹(shù)脂中分散潤(rùn)濕,是較為理想的制備具有良好力學(xué)性能導(dǎo)電復(fù)合材料的填料。利用25%P2100CFP填充EP,EP/CFP材料的體積電阻率較EP降低了9個(gè)數(shù)量級(jí),約為1134×106Ω?cm;拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量、沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度較EP分別提高了124%、186%、9817%和6617%,同時(shí)材料的熱穩(wěn)定性也略有提高。參考文獻(xiàn)1彭煥鼎,萬(wàn)樂(lè)生,吳小梅等1玻璃纖維,1997,(6:5(下轉(zhuǎn)第69頁(yè)?65?塑料工業(yè)2006年r/R=0~0105,n=115198,x1=014245;r/R=0105~012,n=115187,x2=014100;r/R=012~014,n=115140,x3=013419;r/R=014~016,n=115050,x4=012137;r/R=016~018,n=114965,x5=010926。圖3分3層聚合時(shí)預(yù)聚物與理想分布折射率的對(duì)比Fig3Refractiveindicescontrastbetweenoptimaldistributionandprepolymersfor3layers圖44層聚合時(shí)預(yù)聚物與理想分布折射率的對(duì)比Fig4Refractiveindicescontrastbetweenoptimaldistributionandprepolymersfor4layers實(shí)驗(yàn)時(shí)據(jù)此配料,輔以合適的反應(yīng)溫度和時(shí)間,就可以制備出具有理想折射率分布曲線的梯度型塑料光纖預(yù)制棒。事實(shí)上,由于下一層預(yù)聚物加入時(shí)其前面一層聚合物薄層尚未完全固化,并且剛加入的預(yù)聚物對(duì)前面的聚合物薄層有溶脹作用,二者可以相互融合、擴(kuò)散,因而最終所得預(yù)制棒中折射率的實(shí)際分布曲線并非是圖中所示的階梯狀分布而是平滑的分布曲線,而這種效果正是獲得高質(zhì)量的梯度型塑料光纖預(yù)制棒所必須的。由圖5看出,最終的GI2POF預(yù)制棒中折射率的分布曲線與理性分布曲線非常接近,理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比較吻合,說(shuō)明上面采取的簡(jiǎn)單化處理是可行的。圖55層聚合時(shí)預(yù)聚物與理想分布折射率的對(duì)比Fig5Refractiveindicescontrastbetweenoptimaldistributionandprepolymersfor5layers3結(jié)論采用多層離心共聚的新方法來(lái)制備GI2POF預(yù)制棒,其RID曲線可以自如的調(diào)控,所得光纖的帶寬性能必然有相應(yīng)的提高。理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)事實(shí)都表明所用預(yù)聚物層數(shù)越多,最終所得GI2POF預(yù)制棒的折射率分布曲線越接近理想分布。通過(guò)理想分布曲線對(duì)每一層預(yù)聚物的折射率值及物料配比進(jìn)行了計(jì)算,據(jù)此配料就可以得到RID非常接近理想分布的GI2POF預(yù)制棒。參考文獻(xiàn)1ChenWC,ChangY,WeiMH1JPolymSci:PartB:PolymPhys,2000,38:17642BoodhooKVK,DunkWAE,JachuckRJ1JApplPolymSci,2002,85:22833DingW,XuCX,XuSH,etal1JApplPolymSci,2003,89:8174SohnIS,ParkCW1AIChEJ,2003,49(10:24995馬素德,丁文,王朋國(guó)等1現(xiàn)代化工,2004,24(10:156MaSD,ZhongLS,LiXY,etal1Polymer2plasticsTechnolEng,2006,45:3737珊瑚化工廠編1有機(jī)玻璃及同類(lèi)聚合物1上海:上?？萍汲霭嫔?1979:2788BranuD,CherdronH,KernW1BulkPolymerization1TechniquesofPolymerSynthesisandCharacterization,NewYork:JohnWi2ley,19721147(本文于2006-04-28收到(上接第56頁(yè)2ClingermanML1JApplPolymSci,2003,88:22803郝元塏,肖加余1高性能復(fù)合材料學(xué)1北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20041134陶國(guó)良,蔣必彪1江蘇石油化工學(xué)院學(xué)報(bào),1999,11(3:95焦劍,雷渭媛1高聚物結(jié)構(gòu)、性能與測(cè)試1北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20031710(本文于2006-05-29收到?96?第34卷第8期馬素德等:一種制備梯度型聚合物光纖預(yù)制棒的新方法及其折射率分布的調(diào)控CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS2021年第30卷第6期·1306·化工進(jìn)展納米石墨片/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的制備及性能陳星運(yùn)1,2,賀江平2,舒遠(yuǎn)杰2(1西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川綿陽(yáng)621010;2中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所,四川綿陽(yáng)621900摘要:分別采用低溫固化劑和高溫固化劑制備了納米石墨片/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。通過(guò)電阻測(cè)試儀和材料試驗(yàn)機(jī)研究了納米石墨片的含量對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)電性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律,并將溶液混合法與直接混合法制備的復(fù)合材料的性能進(jìn)行對(duì)比,同時(shí)比較了納米復(fù)合材料的性能與微粉石墨/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的性能。結(jié)果表明,溶液混合法制備的復(fù)合材料逾滲閾值更低,可得到填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)60%、體積電阻率為0.0085?·cm的納米復(fù)合材料。當(dāng)填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于4%時(shí),納米復(fù)合材料的力學(xué)性能低于微粉復(fù)合材料。關(guān)鍵詞:納米石墨片;環(huán)氧樹(shù)脂;溶液混合法;導(dǎo)電性能;力學(xué)性能中圖分類(lèi)號(hào):TQ327.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1000–6613(202106–1306–07Preparationandpropertiesofgraphitenanosheets/epoxycompositesCHENXingyun1,2,HEJiangping2,SHUYuanjie2(1InstituteofMaterialScienceandEngineer,SouthwestScienceandTechnologyUniversity,Mianyang621010,Sichuan,China;2InstituteofChemicalMaterials,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,Sichuan,ChinaAbstract:Graphitenanosheets/epoxycompositeswerepreparedbythelowcuringmodeandhightemperaturecuringmode,respectively.Theinfluenceofthecontentofgraphitenanosheetsontheconductivepropertiesandmechanicalpropertiesofcompositeswerestudiedwiththeresistancetestingandmaterialstestingmachines.Thepropertiesofcompositespreparedbythesolutionmixingmethodanddirectlymixingmethodwerecomparedwitheachother,andthepropertiesofnano-compositeswerecomparedwithmicro-powdercomposites.Itwasshownthatthecompositespreparedbythesolutionmixingmethodcouldhavelowerpercolationthreshold.Whenthecontentofgraphitenanosheetsreached60%,thevolumeresistivitywas0.0085?·cm.Themechanicalpropertiesofnano-compositeswereinferiortothemicro-powdercompositeswiththefillercontenthigherthan4.0%.Keywords:graphitenanosheets;epoxyresin;solutionmixingmethod;electricconductivity;mechanicalproperties石墨是一種具有良好導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能和耐腐蝕性能的材料。盡管它的導(dǎo)電性能不如某些金屬,但其耐酸腐蝕性能和抗氧化性能卻優(yōu)于許多金屬,而且它的密度也低于許多金屬,因此,石墨被用于制備滿足特殊需求的聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料[1]。同時(shí),石墨是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為將石墨剝離成厚度更小的片狀物質(zhì)提供了可能。近年來(lái),隨著納米材料和納米復(fù)合材料科技的發(fā)展,石墨/聚合物納米復(fù)合材料的研究也得到了廣收稿日期:2021-02-19;修改稿日期:2021-04-06?；痦?xiàng)目:中國(guó)工程物理研究院科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金(2021B0327及中物院化工材料研究所新材料中心項(xiàng)目(XC-03。第一作者:陳星運(yùn)(1983—,男,碩士研究生,從事高分子功能復(fù)合材料的研究。聯(lián)系人:賀江平。E-mailhe_jiangping@yahoo。第6期陳星運(yùn)等:納米石墨片/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的制備及性能·1307·泛重視并取得了可喜進(jìn)展[2-5]。在這些研究中,石墨以被插層的氧化石墨[6]、膨脹石墨[7]、納米厚度薄片[8]甚至單層的石墨烯或氧化石墨烯[9-10]這幾種形式存在。其中,納米石墨片可以被看作是結(jié)構(gòu)介于普通鱗片石墨和石墨烯之間的一種物質(zhì)。在用作導(dǎo)電填料時(shí),它可以克服普通石墨的高逾滲值和復(fù)合材料的低導(dǎo)電性,同時(shí)又比石墨烯更易于制備,為求得材料性能和成本之間的平衡提供了可能。然而,在納米石墨片/聚合物復(fù)合材料的已有研究中,人們較多關(guān)注復(fù)合材料的逾滲閾值,而對(duì)復(fù)合材料的最終導(dǎo)電性能關(guān)注較少,復(fù)合材料的導(dǎo)電性能難以滿足某些應(yīng)用的要求,如在質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的應(yīng)用中,要求石墨/聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)電率大于100S/cm(即電阻率小于0.01?·cm[11]。因此,無(wú)論是從科學(xué)認(rèn)識(shí)的角度,還是從實(shí)際應(yīng)用的角度,都有必要開(kāi)展高導(dǎo)電率納米石墨片/聚合物復(fù)合材料的制備方法、結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)等方面的研究。本工作以環(huán)氧樹(shù)脂為基體,采用高溫固化劑,通過(guò)溶液混合法制備了復(fù)合材料,在較寬的組成范圍內(nèi)研究了復(fù)合材料的性能和組成之間的關(guān)系。1實(shí)驗(yàn)部分1.1主要原料超低硫可膨脹石墨,9932250,32目,含碳量90%~99.5%,青島閻鑫石墨制品;微粉石墨,F-3,粒徑小于30μm(約500目,碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99%,上海一帆石墨;環(huán)氧樹(shù)脂,E-44,環(huán)氧值0.44,藍(lán)星新材料無(wú)錫樹(shù)脂廠;4,4′-二胺基-二苯基砜(DDS,化學(xué)純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑;丙酮,化學(xué)純,市售。1.2儀器設(shè)備FTIR,Nicolet-5700,美國(guó)尼高力;SEM,HitachiTM-1000,日本日立;AFM,SPA300-HV,日本精工SEIKO;KQ400-KDB超聲波清洗器,昆山市超聲儀器;PC-68型數(shù)字高阻計(jì),上海精密科學(xué)儀器;S-2A型四探針測(cè)試臺(tái),廣州四探針科技;塑料擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī),ZBC1400-2,深圳市新三思材料檢測(cè);電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),珠海三思計(jì)量?jī)x器。1.3納米石墨片的制備將盛有適量可膨脹石墨的石英燒杯放入800~850℃的馬弗爐中,在該溫度下保持10s,得到膨脹石墨。采用量筒測(cè)得膨脹體積為250~300mL/g。將適量膨脹石墨加入乙醇和水的混合物中,在超聲清洗器中于30~40℃溫度下超聲處理15h。經(jīng)過(guò)超聲處理后,上述體系中仍有極少量的膨脹石墨存在,用孔徑為0.18mm的篩網(wǎng)將其除去。通過(guò)過(guò)濾的方法將納米石墨片從乙醇/水混合物中分離出來(lái)。濾餅在105℃烘箱中干燥24h。1.4納米石墨片/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的制備嘗試了兩種制備納米石墨片/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的方法。按配比稱(chēng)取納米石墨片、環(huán)氧樹(shù)脂及593固化劑,將納米石墨片與環(huán)氧樹(shù)脂丙酮溶液的混合物超聲處理2h。將上述混合物放入60℃的真空烘箱中真空處理1h,然后將物料倒入模具,在一定壓力下,在60~80℃固化1h。為了盡可能除去試樣中殘留的溶劑,還將上述試樣在100℃的烘箱中處理4h。按配比稱(chēng)取納米石墨片、環(huán)氧樹(shù)脂及固化劑DDS,將納米石墨片與環(huán)氧樹(shù)脂丙酮溶液的混合物超聲處理2h。將上述混合物放入60℃的真空烘箱中真空處理1h,然后放入135℃烘箱中加熱2h,得到常溫下為固態(tài)的復(fù)合體系。室溫下將其破碎為粉末,在100℃烘箱中加熱處理3h,每1h取出樣品破碎1次。將得到的粉末按計(jì)算用量加入模具中,模壓成型。所得試樣分別在130℃、160℃、200℃烘箱中后固化處理2h,自然冷卻至室溫。所得試樣直接用于結(jié)構(gòu)分析和性能測(cè)試。1.5復(fù)合材料性能的測(cè)試方法采用四電極法測(cè)試樣品的體積電阻率。試樣的尺寸為80mm×10mm×4mm。通過(guò)試樣兩端面輸入電流,電流強(qiáng)度為1μA~100mA,在距離兩端面各20mm處測(cè)試電勢(shì)差。電阻率的計(jì)算公式見(jiàn)式(1。ρ=Uwh/(IL(1式中,U為兩電極間的電勢(shì)差,w為試樣寬度,h為試樣厚度,L為兩電極的間距(此處為4cm,I為輸入電流。沖擊強(qiáng)度的測(cè)試方法:參照ISO179—1∶2000,化工進(jìn)展2021年第30卷·1308·試樣尺寸80mm×10mm×4mm,無(wú)缺口,采用簡(jiǎn)支梁方法,跨距60mm,側(cè)向沖擊,擺錘能量1J。彎曲性能的測(cè)試方法:參照ISO178—1∶2001,試樣尺寸80mm×10mm×4mm,跨距64mm,彎曲速度2mm/min。拉伸強(qiáng)度的測(cè)試方法:參照ISO527—1:1993,橫截面尺寸10mm×4mm,拉伸速度5mm/min。2結(jié)果與討論2.1納米石墨片的原子力顯微鏡測(cè)試為了準(zhǔn)確地了解石墨片的厚度,通過(guò)原子力顯微鏡對(duì)其形貌進(jìn)行了觀察,并在多處隨機(jī)取樣測(cè)量了石墨片的厚度。圖1給出了獲得的AFM觀測(cè)結(jié)果之一。由剖面輪廓圖可以看出,該石墨片的面內(nèi)尺寸為650nm,厚度為29nm,其它厚度測(cè)量結(jié)果均未超過(guò)50nm。這表明本文制備的石墨片的厚度低于50nm。2.2復(fù)合材料兩種制備方法的比較固化劑593是二亞乙基三胺與環(huán)氧丙烷丁基醚的加成物,具有較低的固化溫度,在60~80℃下1h即可實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂的固化。實(shí)驗(yàn)表明,采用低溫固化劑,通過(guò)溶液共混的方法,能夠制備出填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)60%的石墨/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。材料中的溶圖1納米石墨片的原子力顯微鏡照片和剖面輪廓圖劑可以通過(guò)高溫下的后處理有效去除。然而在高溫處理時(shí),由于溶劑揮發(fā)導(dǎo)致材料收縮,材料表層和內(nèi)部溶劑揮發(fā)速度和程度不同。材料內(nèi)部溶劑的去除過(guò)程實(shí)質(zhì)上是向表層遷移的過(guò)程,內(nèi)部溶劑的去除相對(duì)滯后。因此內(nèi)部材料的收縮程度小于表層,在材料表面出現(xiàn)裂紋。為了避免材料表面在后處理過(guò)程中出現(xiàn)裂紋,研究中采用了固化溫度較高的固化劑DDS。這樣就可以實(shí)現(xiàn)在加熱去除溶劑的過(guò)程中不發(fā)生固化反應(yīng)或者交聯(lián)反應(yīng)程度較低。溶劑去除后,再在更高的溫度下加熱完成材料的固化成型。實(shí)驗(yàn)中,復(fù)合體系真空處理后,經(jīng)歷了135℃下處理2h的工藝過(guò)程。在較高的溫度下,溶劑快速揮發(fā),并且復(fù)合體系具有一定的固化度,在室溫下將其破碎為粉末,更加有利于溶劑的去除。為了定性了解高溫處理對(duì)試樣中溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響,對(duì)處理前后的試樣進(jìn)行了紅外光譜分析,結(jié)果如圖2所示。圖2中譜線(a上1713cm-1處的吸收峰為羰基的特征吸收峰,而在譜線(b上未見(jiàn)該吸收峰。這表明,高溫處理前材料中還含有一定量的溶劑——丙酮,經(jīng)過(guò)高溫處理后試樣中的溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)已經(jīng)低于紅外的檢測(cè)范圍。由此可見(jiàn),按照高溫固化工藝可以制備出溶劑有效去除的復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)表明,通過(guò)這種方法制備的復(fù)合材料表面未出現(xiàn)裂紋。因此在進(jìn)一步研究中,本文采用本工藝制備納米石墨片/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。2.3納米石墨片質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)電性能的影響圖3(曲線1為復(fù)合材料的體積電阻率與納米石墨片質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系。為了便于比較,圖圖2高溫處理前后復(fù)合材料的紅外光譜圖第6期陳星運(yùn)等:納米石墨片/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的制備及性能·1309·圖3復(fù)合材料的體積電阻率與石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系1—填料為納米石墨片;2—填料為微粉石墨;3—文獻(xiàn)數(shù)據(jù),填料為納米石墨片中還給出了通過(guò)相同方法制備的微粉石墨/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的體積電阻率與石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系(曲線2。其具體數(shù)值如表1所示。從表1中可以看到,采用納米石墨片為導(dǎo)電填料時(shí),復(fù)合材料的逾滲閾值低于1%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于微粉石墨的16.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)。納米石墨片的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí),復(fù)合材料的體積電阻率達(dá)到0.2?·cm;而要達(dá)到同樣的導(dǎo)電性,采用微粉石墨則需60%?？梢?jiàn)采用納米石墨片作為導(dǎo)電填料可以大大減少填料的用量。本研究中制備的復(fù)合材料含有納米石墨片最高為60%,此時(shí)復(fù)合材料的體積電阻率達(dá)到0.0085?·cm,是石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的微粉石墨填充復(fù)合材料體積電阻率的6%。上述比較表明,納米石墨片能夠比微粉石墨更有效地降低復(fù)合材料的體積電阻率。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于納米石墨片具有納米厚度和大的徑厚比。相比于微米尺寸的石墨顆粒,片狀結(jié)構(gòu)的納米石墨更易于在環(huán)氧樹(shù)脂基體中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),因此少量的納米石墨片即可使復(fù)合體系達(dá)到逾滲閾值。相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)情況下,納米石墨片復(fù)合體系中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)更加完善,體積電阻率較微粉石墨復(fù)合體系有大幅度的降低,如圖4所示。圖3中還給出了文獻(xiàn)[12]報(bào)道的通過(guò)直接混合法制備的納米石墨片/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料體積電阻率的數(shù)據(jù)(曲線3?？梢钥闯?本工作制備的復(fù)合材料具有更低的逾滲閾值和體積電阻率。在納米石墨片質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí),本工作制備的復(fù)合材料體積電阻率為2.04×107?·cm,而文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)為2.8×1012?·cm。從圖3還可以看出,本工作制備的復(fù)合材料中納米石墨片的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了60%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了文獻(xiàn)[12]報(bào)道的11.5%。產(chǎn)生上述差異的原因在于復(fù)合材料制備方法的不同。本工作采用了超聲輔助的溶液混合方法,而文獻(xiàn)中則是將環(huán)氧樹(shù)脂加熱后在玻棒攪拌下加入納米石墨片。由于采用溶液混合方法,理論上可以向樹(shù)脂中加入任意質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米石墨片,并使用超聲作用促進(jìn)納米石墨片的分散。而在直接向液體環(huán)氧中加入納米石墨片的情況下,隨著石墨片的加入,體系的黏度逐漸增加,難以提高納米石墨片的質(zhì)量分?jǐn)?shù),使納米石墨片良好分散。表1試樣的體積電阻率數(shù)據(jù)微粉石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%體積電阻率/??cm標(biāo)準(zhǔn)偏差納米石墨片質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%體積電阻率/??cm標(biāo)準(zhǔn)偏差02.48×10152.00×101302.48×10152.00×101316.421.21×10152.90×101412.42×10116.84×101125.191.62×1061.80×10522.04×1076×10534.362652241.05×1059.27×104800.020.003600.00850.000168化工進(jìn)展2021年第30卷·1310·圖4試樣復(fù)合體系示意圖本工作還以納米石墨片質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的試樣為例,初步研究了復(fù)合材料的歐姆特性,結(jié)果如圖5所示。從圖5(a、圖5(b可以看到,在實(shí)驗(yàn)研究的電流范圍內(nèi),在電壓與電流之間存在良好的線性關(guān)系。從圖5(c可以看出,在各種電流下,復(fù)合材料具有恒定的電阻率。這表明納米石墨片質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料具有良好的歐姆特性。2.4納米石墨片質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響圖6給出了納米石墨片/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料和微粉石墨/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度與填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系?？梢钥闯?微粉石墨填充復(fù)合材料的力學(xué)性能隨石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加呈現(xiàn)先增加后降低的變化規(guī)律;而納米石墨片填充復(fù)合材料的力學(xué)性能中只有彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度表現(xiàn)出類(lèi)似的變化規(guī)律,沖擊強(qiáng)度隨著填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而單調(diào)減小。在填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于4%時(shí),納米復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度均低于微米復(fù)合材料。圖520%納米石墨片填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的U-I曲線和體積電阻率-電流曲線2.5復(fù)合材料的內(nèi)部形貌為了弄清在較高填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)下納米復(fù)合材料力學(xué)性能低于微粉復(fù)合材料的原因,通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察了環(huán)氧樹(shù)脂和復(fù)合材料的內(nèi)部形貌,如圖7(a、圖7(b所示。由圖7可以看出,在不含填料的環(huán)氧樹(shù)脂斷面上,形成了大量相對(duì)較高的和相對(duì)較低的區(qū)域,但兩種區(qū)域的高度相差不大;這些區(qū)域的形狀復(fù)雜,但區(qū)域內(nèi)部平整。這是材料斷裂時(shí)裂紋在擴(kuò)展過(guò)程第6期陳星運(yùn)等：納米石墨片/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的制備及性能·1311·以清楚地看到，斷面上納米石墨片的表面光滑，表明納米石墨片與環(huán)氧基體之間的界面黏接差。由于本實(shí)驗(yàn)采用的可膨脹石墨未經(jīng)強(qiáng)氧化劑處理，納米石墨片表面和邊緣不含官能團(tuán)，極性較低，與極性的環(huán)氧基體間的界面粘接差。與微粉石墨相比，納米石墨片的表面積大大增加，因此在質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，納米復(fù)合材料的力學(xué)性能低于微粉復(fù)合材料。（a）環(huán)氧樹(shù)脂×1000（b）環(huán)氧樹(shù)脂×500圖6復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度與石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系（c）納米石墨片質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%×100中留下的痕跡。在納米石墨片質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的復(fù)合材料斷面中[圖7（c）、圖7（d）]，仍然可以看到如同純環(huán)氧樹(shù)脂斷面上的裂紋擴(kuò)展痕跡，但復(fù)合材料的斷面明顯比純環(huán)氧的斷面粗糙。在該含量時(shí)斷面上還很難分辨出納米石墨片的存在。當(dāng)納米石墨片的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)[圖7（e）、圖7（f）]，復(fù)合材料的斷面上已看不見(jiàn)裂紋擴(kuò)展痕跡，而納米石墨片則可以很容易地找到，有的平行于紙面，有的則與紙面構(gòu)成一定的角度。由圖還可（d）納米石墨片質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%×500·1312·化工進(jìn)展2021年第30卷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高（高于4%）時(shí)，納米復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度隨著填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而降低，且低于微米復(fù)合材料。參[1]考文獻(xiàn)DuLing，JanaSadhanC.Highlyconductiveepoxy/graphitecompositesforbipolarplatesinprotonexchangemembranefuelcells[J].JournalofPowerSources，2007，172：734-741.[2]（e）納米石墨片質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%×100[3]ChenGuohua，WuCuiling.Preparationofpolystyrene/graphitenanosheetscomposite[J].Polymer，2003，44（6）：1781-1784.XiaLigang，LiAiju，WangWeiqiang.Effectsofresincontentandpreparingconditionsonthepropertiesofpolyphenylenesulfideresin/graphitecompositeforbipolarplate[J].JournalofPowerSources，2021，178（1）：363-367.[4]DuChao，MingPingwen，HouMing.Preparationandpropertiesofthinepoxy/compressedexpandedgraphitecompositebipolarplatesforprotonexchangemembranefuelcells[J].JournalofPowerSources，2021，195（3）：794-800.[5]（f）納米石墨片質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%×500KangSooJung，KimDongOuk，JunHo.Solvent-assistedgraphiteLeeloadingforhighlyconductivephenolicresinbipolarplatesforprotonexchangemembranefuelcells[J].JournalofPowerSources，2021，195（12）：3794-3801.圖7樣品的掃描電鏡圖[6][7]3結(jié)論（1）采用高溫固化劑通過(guò)溶液混合的方法能夠制備出填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)60%的納米石墨片/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。與直接混合法相比，通過(guò)溶液復(fù)合法制備的納米石墨片/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料可以大大提高復(fù)合材料中納米石墨片的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并使復(fù)合材料的體積電阻率降低4個(gè)數(shù)量級(jí)。（2）通過(guò)溶液復(fù)合法制備的納米石墨片/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的逾滲閾值低于1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于微粉石墨/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的16.5%。當(dāng)納米石墨片質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到60%時(shí)，復(fù)合材料的體積電阻率達(dá)到0.0085?·cm，而含有微粉石墨60%的復(fù)合材料體積電阻率僅為0.2?·cm。（3）納米石墨片與微粉石墨對(duì)復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度的影響規(guī)律不同。在填料HanY，LuY.Preparationandcharacterizationofgraphiteoxide/polypyrrolecomposites[J].Carbon，2007，45（12）：2394-2399.HeoSI，OhKS，YunJC，etal.Developmentofpreformmouldingtechniqueusingexpandedgraphiteforprotonexchangemembranefuelcellbipolarplates[J].JournalofPowerSources，2007，171：396-403.[8]SunGuilei，LiXiaojie，QuYangdong，etal.Preparationandcharacterizationofgraphitenanosheetsfromdetonationtechnique[J].MaterialsLetters，2021，62（3）：703-706.[9][10]NovoselovKS，GeimAK，MorozovSV，etal.Electricfieldeffectinatomicallythincarbonfilms[J].Science，2004，306：666-669.XuYX，BaiH，LuGW，etal.Flexiblegraphenefilmsviathefiltrationofwater-solublenoncovalentfunctionalizedgraphenesheets[J].J.Am.Chem.Soc.，2021，130：5856-5857.[11]DhakateSR，SharmaS.Expandedgraphite-basedelectricallyconductivecompositesasbipolarplateforPEMfuelcell[J].HydrogenEnergy，2021，33：7146-7152.[12]翁建新，吳大軍，陳國(guó)華.環(huán)氧樹(shù)脂/石墨微片復(fù)合導(dǎo)電材料的導(dǎo)電性[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，25（4）：379-382.實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)NDT無(wú)損檢測(cè)聲發(fā)射技術(shù)在罐式集裝箱檢驗(yàn)中的應(yīng)用王亞?wèn)|,徐彥廷,劉富君,許皆樂(lè),鄭慕林(浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院,杭州310摘要:提出了采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)帶人孔的罐式集裝箱進(jìn)行不開(kāi)罐條件下的在線監(jiān)測(cè)方法,并對(duì)24輛罐式集裝箱進(jìn)行了聲發(fā)射檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明,該檢測(cè)方法可行,且檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確直觀。與常規(guī)檢測(cè)方法相比,聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)能夠?yàn)橛脩?hù)節(jié)約大量的時(shí)間和成本,并具有環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞:聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù);在線監(jiān)測(cè);罐式集裝箱;節(jié)能環(huán)保中圖分類(lèi)號(hào):TG115.28文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B文章編號(hào):100026656(20210620499202ApplicationofAcousticEmissionTechnologyontoContainerTankTestingWANGYa2Dong,XUYan2Ting,LIUFu2Jun,XUJie2Le,ZHENGMu2Lin(ZhejiangProvinceSpecialEquipmentInspectionandResearchInstitute,Hangzhou310,ChinaAbstract:24tankcontainerswereinspectedwithAEon2linetechnology.ThepracticeindicatedthatAEtestingontankcontainerswasfeasible,andtheAEinspectionresultswerecorrectandintuitive.Also,comparedwithcommoninspectionmethods,itneededashorterinspectiontimeandlowercost.Furthermore,thismet