微-纳米无机颗粒对聚氨酯环氧树脂基复合材料性能的影响

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1、精品文档微/纳米无机颗粒对聚氨酯环氧树脂基复合材料性能的影响中图分类号：tq323.8文献标识码：a　　环氧树脂具有良好的热稳定性、电绝缘性、粘结性、力学性能，成型工艺多样化，性价比较高，被广泛应用于航空/航天、电气/电子等领域[1-4].由于环氧树脂具有三维网状交联结构，此结构带来众多优点的同时，也赋予其固有的缺点，固化后质脆、耐冲击性较差和容易开裂等.利用环氧树脂制备的复合材料存在层间韧性不足，受到低速冲击后层间容易发生分层等问题，严重影响其使用寿命和范围，这就要求对环氧树脂进行增韧[5].当前，广泛采用的改性方法是向树脂中加入橡

2、胶[6-7]或热塑性树脂[8]，通过反应诱导相分离形成分相结构[9-10]，实现对树脂基体的增韧.但是这些增韧成分的引入，增加了树脂体系的化学复杂性，带来了一系列问题.例如增韧剂要与原有树脂相匹配，改性剂的存在会导致树脂的工艺条件发生改变，对树脂的刚度、模量、湿/热等性能可能产生影响等[11].2016全新精品资料-全新公文范文-全程指导写作–独家原创10/10精品文档　　近年来很多研究者采用无机刚性纳米粒子[11-16]对环氧树脂进行增强、增韧改性.这是因为纳米粒子的表面非配对原子多、活性高，很容易与环氧树脂中的某些官能团发生物理或

3、化学作用，提高粒子与环氧树脂基体的界面结合能力，有助于降低聚合物键的能动性，因而可承担一定的载荷，具有增强、增韧的可能.而且，这种无机纳米颗粒的加入，对体系的物理化学性质没有明显影响，有利于保持现有树脂体系及其工艺条件不变.同时这种利用物理手段实现的强度韧性提升，由于不涉及化学计量，可以方便地选择增韧剂的使用量.　　本研究以商用的聚氨酯-环氧树脂复合材料为基体，系统研究了几种无机微米/纳米粒子的添加对复合材料力学和热稳定性的影响，并对改性后复合材料的强韧化机理进行了初步讨论.　　1实验部分　　1.1原料　　纳米sio2，粒径：30nm

4、.纳米sic，50nm；纳米mgo，30nm；纳米al2o3，30nm.微米al2o3，1～3　　symbolma@m.微米mgo，0.5～12016全新精品资料-全新公文范文-全程指导写作–独家原创10/10精品文档　　symbolma@m.聚氨酯改性环氧树脂粘结剂，其主剂和固化剂分别标示为puepm和pueps.　　2结果与讨论　　2.1颗粒组成和含量对复合材料拉伸剪切强度的　　影响　　图1为无机颗粒组成和含量与复合材料拉伸剪切强度的关系曲线.从图1可以看出，向puep体系加入无机颗粒后，其拉伸剪切强度均先增加后降低，最佳添加量均

5、为2%.在该加入量时，2%lmg改性puep复合材料的拉伸剪切强度相比未添加的puep复合体系增加了14.7%，2%lal增加了8.0%，2%nmg增加了68.9%，2%nsi增加了61.3%，2%nsc增加了87.8%，添加2%nal增加了54.2%.这是因为无机颗粒经硅烷偶联剂处理后其表面带有活性基团，颗粒可以充分接枝在基体上.此外，纳米粒子较小的粒径和较大的比表面积，提高了纳米粒子和基体的相容性.因此纳米粒子和基体之间可以有更好的应力传递，增强材料的强度和韧性.当无机颗粒的添加量逐渐增多时，其在基体中的分散性变差，易团聚，从而降

6、低了复合材料的力学性能[18].2016全新精品资料-全新公文范文-全程指导写作–独家原创10/10精品文档　　同时可以看出，纳米颗粒对puep复合体系力学性能的提高显著高于微米颗粒，其增加量均在50%以上.这可能是由于纳米粒子尺寸小、比表面积大以及表面的物理和化学缺陷多，与高分子链产生了物理或化学交联点，能有效提高两者之间的结合力，使高分子链刚性增加，从而导致puep体系的拉伸剪切强度显著增加[18-19].　　图2为无机颗粒质量分数为2%时所得无机颗粒改性puep复合材料的应力应变曲线.从图中可以看出，puep复合体系的应力应变曲

7、线呈现典型的韧性断裂，曲线上分别出现了弹性变形区、弹塑性变形区、塑性变形区和屈服点等特征区域，其层间剪切模量　　的数值约为574gpa.　　从图中还可以看出，微米颗粒的添加并不改变puep复合体系的断裂方式，但使该体系各变形阶段的模量显著下降，同时弹性变形区域逐渐缩短.而纳米颗粒的添加不仅能改变puep复合体系的断裂方式，使其由韧性断裂改为类似于陶瓷材料的脆性断裂，同时弹性变形区大幅增加，但弹性模量大幅降低.2016全新精品资料-全新公文范文-全程指导写作–独家原创10/10精品文档　　从上述数据可知，对于无机颗粒而言，其在添加量为2

8、%时，可以获得最佳的增韧效果，故而，下一步研究中，无机颗粒的添加量固定为2%，研究材料粒径和组成对复合材料拉伸强度的影响.　　2.2颗粒组成对复合材料拉伸强度的影响表1为无机颗粒添加对复合材料拉伸强度的影响.从表中可以看