纳米碳管_环氧树脂复合材料的力学性能研究

1、第31卷第15期2009年8月武汉理工大学学报JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.31No.15Aug.2009DOI:10.3963/j.issn.167124431.2009.15.008纳米碳管/环氧树脂复合材料的力学性能研究李其祥,袁观明,董志军,吕早生,李轩科(武汉科技大学湖北省煤转化与新型炭材料重点实验室,武汉430081)摘要:复合材料力学性能的影响,。:添加纳米碳管对环氧树脂的弯曲强度、,其界面结合较强。关键词:;中图分类号:TB:A文章编号: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:环氧树脂具有优良的粘结、耐腐蚀、绝缘、高强度等性能,被广泛用于粘合剂、涂料、电气绝缘材料和复合材料的制备,是工业领域不可缺少的基础

5、材料,但是由于环氧树脂固化后交联密度高,内应力大,因而存在质脆、耐疲劳性、耐热性、抗冲击韧性差等缺点,难以满足工程技术的要求,使其应用受到一定的限制,因此对环氧树脂进行各种改性已成为该领域的重要研究课题1。纳米碳管自从1991年被日本学者Iijima2报道以来,其独特的结构、奇异的性能和潜在的应用价值,引起了科学家们极大的研究兴趣。近年来,各国科学家们在致力于纳米碳管低成本、批量化、可控化生产的同时,更注重其应用研究,其中纳米碳管/聚合物复合材料的研究325是一个最具发展潜力的新领域。目前,国内外已有不少报道利用纳米碳管来增强环氧树脂,但是一般纳米碳管的添加量较少6,7,或是仅研究其拉伸力学性

6、能8,9或弯曲力学性能10,较高含量纳米碳管/收稿日期:2009205218.基金项目:湖北省教育厅优秀中青年科技创新团队资助计划项目(T200402)和武汉科技大学科学基金(2008TD06).作者简介:李其祥(19542),男,高级工程师.E2mail:lqx195400武汉理工大学学报2009年8月26环氧树脂复合材料力学性能的系统研究并不多见。文中采用超声波分散工艺和浇铸成型法制备纳米碳管/环氧树脂复合材料,考察了不同纳米碳管的添加量对复合材料力学性能的影响,并利用扫描电镜对复合材料的断面形貌进行了微观分析。1实验1)原料环氧树脂F48、固化剂593B、稀释剂660A:蓝星化工新材料股

7、份有限公司无锡树脂厂。多壁纳米碳管(实验室自制,纯度>95%,具体制备方法见文献11)。N,N2二甲基甲酰胺:分析纯,湖北大学化工厂。2)纳米碳管/环氧树脂复合材料制备将一定量(按质量分数计)的多壁纳米碳管样品分散在一定量的有机溶剂N,N2二甲基甲酰胺中,先磁力搅拌0.5h,然后超声波分散0.5h,最后加入经60熔融的环氧树脂中,机械强力搅拌0.5h。待树脂冷却后加入一定量的固化剂,机溶剂,最后注入模具内,室温固化24h。3)纳米碳管/环氧树脂复合材料测试分析2型微机控制电液伺服万能试验机(LEO1530型场发射扫描电子显微镜(FESEM)22.1多壁纳米碳管和环氧树脂复合材料的形貌图1

8、为所用多壁纳米碳管的扫描电镜和透射电镜照片,从图1中可以看出纳米碳管纯度较高,直径约为2030nm,长度约为100500m。图2为环氧树脂及其纳米碳管复合材料不同力学性能测试样品的光学照片,从照片中可以看出纯环氧树脂为黄色透明的,加入纳米碳管后试样颜色加深,直至变为纯黑色。2.2环氧树脂及其纳米碳管复合材料的力学性能一般来说,力学性能测试曲线下的面积代表材料的破坏能,是材料准静态条件下强度和韧性的共同体现,它最终与界面粘结强度和界面松驰紧密相关12。纯环氧树脂和纳米碳复合材料的力学性能测试曲线如图3所示,由图3(a)的弯曲伸长2强度曲线可以看出:曲线A(即纯树脂基体)包围的面积最小,曲线斜率大

9、,在顶点附近呈折线垂直下滑,说明此时材料受最大压力后突然折断,材料具有典型的脆性特征。直接添加1.0%纳米碳管后,曲线B下包围的面积增大,曲线斜率较小,在顶点附近出现了韧性平台。复合材料的韧性有所提高,其弯曲强度由22.1MPa提高到26.7MPa,提高了20%。添加等量经有机溶剂分散后的纳米碳管后,发现曲线C的韧性平台非常明显,说明复合材料的韧性大大提高,但是弯曲强度略有下降,这与复合材料中少量未完全脱除的有机溶剂有关13。由图3(b)的压缩形变2强度曲线可以看出:曲线A(即纯树脂基体)包围的面积最小,曲线呈抛物线形,这与圆柱状试样压缩过中其中间部分凸起变大有关。添加少量纳米碳管(0.1%、

10、0.5%)后,复合材料(曲线B、C)的抗压强度有所提高,但韧性增加不明显。当纳米碳管的用量增加到1.0%时,复合材料(曲线D)的强度先略微下降再逐渐增加,韧性明显提高。由图3(c)的拉伸应力2应变曲线可以看出:曲线A(纯树脂基体)下包围的面积最小,为典型的脆性断裂。随着纳米碳管添加量的增加,复合材料的应力2应变曲线下包围的面积逐渐增大,且曲线顶点附近出现了韧性平台,这说明复合材料的强度和韧性在逐渐增加。当纳米碳管用量为1.0%(曲线D)和3.0%(曲线E)时,曲线下包围的面积较大,且出现了较长的韧性平台,说明此时环氧树脂的增强增韧效果最好。当纳米碳管用量为0.5%(曲线C)时,复合材料应力2应

11、变曲线中有比较明显的屈服点,复合材料在屈服点之后断裂表现为韧性断裂。当纳米碳管含量大于3.0%时,如5.0%(曲线F)和10.0%(曲线G),复合材料在屈服点之前就发生断裂,其应力2应变第31卷第15期李其祥,袁观明,董志军,等:纳米碳管/环氧树脂复合材料的力学性能研究27曲线与纯环氧树脂相似,表现为典型的刚而脆材料特征。虽然复合材料的拉伸强度较纯环氧树脂有所提高,但其韧性明显下降。复合材料的拉伸力学性能数据如图4所示,从图4中可以看出:随着纳米碳管用量的逐渐增加,复合材料的拉伸强度、提高。量达到3.0%时,32.0MPa提高到63.5MPa,拉伸模量由1.86GPa提高到3.2Gpa,断裂伸

12、长由1.21mm提高到2.62mm,分别比纯环氧树脂的拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长提高了98.4%、72.0%、116.5%。但是当纳米碳管的添加量继续加大时,如5.0%和10.0%,虽然复合材料拉伸模量继续增大,但其拉伸强度和断裂伸长明显下降。可能原因是纳米碳管的加入量增大后造成环氧树脂粘度提高,流动性变差,而且纳米碳管不容易分散均匀,气泡和溶剂难以完全脱除,形成孔洞留在复合材料里。当复合材料受到外力拉伸作用时,孔洞区域首先被破坏,导致复合材料强度下降。2.3环氧树脂及其纳米碳管复合材料的断口形貌在纳米碳管/聚合物复合材料研究中,纳米碳管的均匀分散是一个非常困难且普遍存在的问题。复合材料的性

13、能不仅取决于复合体系自身的特点,还取决于增强体在基体中的分布方式及其与基体之间的界面粘武汉理工大学学报2009年8月28结强度。环氧树脂及其纳米碳管复合材料拉伸断面的扫描电镜形貌如图5所示,从图中低倍放大照片可以明显看出:纯树脂(图5(a)发生典型脆性断裂,断面平滑整齐,裂纹呈直线型且均匀有序。添加纳米碳管后,断面变粗糙,呈高低不平的河流状和花絮状形貌(图5(b)图5(d),裂纹不再有序。可能原因是纳米碳管的加入起到了承载外力且消耗断裂能量14并阻止基体裂纹朝一个方向扩展(即宏观开裂)的作用,造成裂纹呈杂乱无章排列。另外,因为纳米碳管为典型的二维纳米结构材料,其比表面积很大,与基体的界面连接更

14、充分、更牢固,相互作用较强,从而使拉伸测试时作用在树脂上的负载通过界面有效转移到纳米碳管上,阻止了因应力集中而引起的银纹和微裂纹的扩展15,最终使纳米碳管/环氧树脂复合的力学性能得到大幅度提高。将图5(c)进一步放大后,发现断面处(图5(e)出现了均匀分布的亮点,亮点即为纳米碳管的端头。这表明采用有机溶剂-超声波相结合分散工艺,可以使纳米碳管在树脂中分散得较为均匀,达到有效提高复合材料的力学性能的目的。但是当纳米碳管的添加量达到10.0%之后,机械外力作用不能使其在树脂基体中有效分散,局部团聚(图5(f)在复合材料承载时成为断裂源,不但起不到增强效果,3结论a./环氧树脂复合材料。b.、压缩强

15、度和拉伸强度具有明显的改善效果,当纳米碳管的添加量为3.0%时,、拉伸模量和断裂伸长分别比纯环氧树脂提高了98.4%、72.0%、116.5%。但是当纳米碳管的添加量继续加大时,如5.0%和10.0%,虽然复合材料拉伸模量继续增大,但拉伸强度和断裂伸长明显下降。c.复合材料断面微观分析表明采用有机溶剂-超声波相结合分散工艺,可以使一定量的纳米碳管在环氧树脂中得到有效分散。参考文献1王德中.环氧树脂生产与应用M.第2版.北京:化学工业出版社,2001.2IijimaS.HelicalMicrotubesofGraphiticCarbonJ.Nature,1991,354(6348):56258.

16、3AndrewsR,WeisenbergerMC.CarbonNanotubePolymerCompositesJ.CurrentOpinioninSolidStateandMaterialsSci2ence,2004,1(8):31237.4BreuerO,UttandaramanSundararaJ.BigReturnsfromSmallFibers:AReviewofPolymer/CarbonNanotubeCompositesJ.PolymerComposites,2004,25(6):6302645.5王继勇,王湘,唐传球,等.纳米碳管/聚醚酮酮复合材料的研究J.武汉理工大学学报,

17、2005,27(8):8210.6郑亚萍,陈青华,陈立新,等.纳米碳管/环氧树脂纳米复合材料的研究J.高分子材料科学与工程,2006,22(4):2162218.7汪华锋,李振华,王新庆,等.碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备及力学性能J.复合材料学报,2004,21(5):48251.8梁叔全,贾春燕,唐艳.碳纳米管/环氧树脂复合材料力学性能的研究J.矿冶工程,2008,28(5):94296.9高新春,宋怀河,郭鹏,等.碳纳米管添加量对环氧树脂基复合材料性能的影响J.炭素技术,2007,26(2):13217.10李贞,段跃新,梁志勇.纳米碳管/环氧树脂复合材料力学性能研究J.宇航材料工艺,

18、2006(3):29232.11LiXuanke,YuanGuanming,AidanWestwood,etal.ThePreparationandCVDDensificationofMulti2walledCarbonNan2otubeFeltSynthesisedbyaCatalyticCVDMethodJ.ChemicalVaporDeposition,2008,14(122):40245.12凌兴珠,徐振民.TiB2颗粒增强铝合金复合材料研究J.有色金属,1998(2):992103.13Kin2takLau,MeiLu,Chun2kiLam,etal.ThermalandMechanicalPropertiesofSingle2walledCarbonNanotubeBundle2re2inforcedEpoxyNanocomposites2theRoleofSolventforNanotubeDispersionJ.CompositesScienceandTechnology,2005,65(5):7192725.14ZhouX,EungsooShin,WangKW,etal.InterfacialDampingC