纳米碳材料-环氧树脂材料之性能研究

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1、纳米碳材料/环氧树脂材料之性能研究第一章绪论1.1引言随着现代社会的发展，单一材料已经不能满足工业和生活的需要，由此人们研发出了适用于不同用途的复合材料。所谓复合材料（positematerials），是指由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有特定新性能的材料[1]。由于新制备的复合材料可以在各种原单一材料的基础上互相取长补短，使复合材料的综合性能要优于原单一材料，因此可以满足各种不同的生产和生活上的要求[2]。纳米复合材料是最近几年材料学领域研究的热门课题之一，目前随着各种结构的纳米填料的出现，研发出了各种不同结构的纳米

2、复合材料。纳米复合材料和传统的复合材料具有不同的结构。当两相（或多相）微观结构中至少有一相的一维尺度达到纳米级（1-100nm)时，才能被称为纳米复合材料[3]。随着填料逐渐由微米尺寸缩小到纳米尺寸，比表面积逐渐增大，填料与聚合物基质之间的界面面积明显增大，进而提高了填料与聚合物基质的相容性和界面作用力。从而更好的利用纳米填料的刚性、热稳定性、导电性等来改善复合材料性能（如弹性、韧性、冲击强度及抗静电性等）。近年来科学家们一直致力于发展性能更好，应用更广泛的新型纳米材料，而碳元素引起了世界各国研究人员的极大兴趣。RobertCurl等人在1985年制备出

3、了富勒烯，1989年Huffman和Kraetschmer的实验证实了C60的笼型结构，1991年S.Iijina发现了具有独特结构的碳纳米管。之后，三维的金刚石、二维的石墨烯、一维的碳纳米管、零维的富勒烯组成了完整的碳系家族[4]。由于碳纳米管和石墨烯的特有一维和二维纳米结构，可以用来作为复合材料的优良填料，其性能研究一直以来是研究的热点[5]。目前，随着碳纳米管和石墨烯产量、质量的提高，以及价格越来越低，与聚合物基质的复合已成为可能，具有重要的研究意义和市场应用前景。1.2纳米碳材料简介纳米碳材料从元素组成上来说都是相同的，它们只含有一种元素碳元素,

4、但由于组成结构的不同，可分为石墨烯、碳纳米管、富勒烯，如图1.1。二维的石墨烯是由碳原子紧密堆积成的二维结构，可以看作是一层被剥离的石墨片，被认为是零维的富勒烯、一维的碳纳米管和三维的金刚石的母体（图1.1c）。石墨烯的结构如图1.2所示。一维的碳纳米管可以看成是由单层的石墨烯依照某种方式卷成的，其中的碳原子按照SP2杂化。碳纳米管，又名巴基管，是由日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛（Iijima[6]）在1991年实验过程中意外发现的。其直径一般在一到几十个纳米之间，长度则远大于其直径，可达到微米级。在过去的十年里，由于具有特殊性质和应用

5、，碳纳米管及其相关材料领域的研究非常活跃，受到人们的广泛关注。碳纳米管具有高强度、高导电性、低质量密度和大纵横比（一般大于1000）的特点，并且据预测和一些实验数据显示具有非常高的拉伸模量。结构上按照碳纳米管层数的不同分为了单壁碳纳米管和多壁碳纳米管[7]，其结构如图1.3。众所周知，碳纳米管由于具有特殊的结构（大纵横比、π-π吸附）使其容易发生团聚，这也在很大程度上制约了碳纳米管的应用[8]。因此，目前关于碳纳米管的研究有很大部分是关于其表面的修饰与官能化。第二章纳米碳材料的制备及表面功能化2.1引言拥有极高比表面积（理论为2630m2&b

6、ull;g-1）的石墨烯和具有很大长径比的碳纳米管由于本身固有的高机械性能使其成为陶瓷和聚合物的理想增强体。有效地性能增强取决于两个因素：（1）纳米粒子与聚合物基质界面之间的界面结合力的大小；（2）纳米填料在聚合物基质中的分散性。界面结合越牢固、分散性越好，则纳米填料能够更好的增强复合材料，反之，则越小。但是，由于石墨烯和碳纳米管的结构特点，层与层之间易发生π-π吸附而不易分散在基质材料中，从而使其在复合材料中难以分散均匀；而且由于表面惰性，使得它们与聚合物基质之间的界面结合力很弱，其表面不能很好的与聚合物基质进行有效的结合，在受力过程中容易

7、产生片与片之间的滑移，受到的载荷不能很好的转移给填料，因此不能起到增强的作用。这使得它们在作为复合材料填料的应用中受到很大的限制。因此，均匀分散和有效的界面应力传递是石墨烯和碳纳米管作为纳米填料所面临的最大挑战。氧化石墨烯和酸化碳纳米管由于表面具有大量的含氧基团，例如羟基、羰基、羧基等，这些含氧基团具有较高的活性，等够与其它官能团发生反应，从而对其表面进行改性与修饰。修饰改性之后的石墨烯和碳纳米管作为聚合物基质的填料能够从根本上解决它们分散性差和界面结合力不强的弱点，从而起到提高复合材料性能的作用。在此，本章研究了氧化石墨烯的制备、碳纳米管的酸化处理及它

8、们的表面修饰，对结果进行了表征与分析。2.2实验部分采用一种改进的Hummer法