纳米碳_环氧形状记忆聚合物复合材料的制备及微波驱动性能研究.pdf

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1、博士学位论文纳米碳/环氧形状记忆聚合物复合材料的制备及微波驱动性能研究SYNTHESISANDMICROWAVEACTUATIONPROPERTIESOFNANOCARBON/EPOXYSHAPE-MEMORYPOLYMERCOMPOSITES陈垒哈尔滨工业大学2018年4月国内图书分类号：TB332学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学博士学位论文纳米碳/环氧形状记忆聚合物复合材料的制备及微波驱动性能研究博士研究生：陈垒导师：刘彦菊教授申请学位：工学博士学科：固体力学所在单位：航天学院答辩日期：2018年1月授予

2、学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB332U.D.C:621DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringSYNTHESISANDMICROWAVEACTUATIONPROPERTIESOFNANOCARBON/EPOXYSHAPE-MEMORYPOLYMERCOMPOSITESCandidate：LeiChenSupervisor：Prof.YanjuLiuAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality

3、：SolidMechanicsAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：January,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要形状记忆聚合物（SMP）是一类可以保持暂时形状，并在外界刺激下回复到初始形状的聚合物，具有密度小、成本低、变形大、生物相容性好等优点，因而近年来引起了智能材料科学家们的强烈兴趣。与其它类型的SMP相比，环氧基SMP（ESMP）拥有较高的力学强度、较强的环境耐久性和较低的

4、合成成本，因而在航空航天等领域具有巨大的潜在应用价值。然而，ESMP的力学强度、热稳定性、驱动方式等性能指标并不能满足其在航空航天等领域的实际应用要求。为了增强ESMP的力学强度、提高其热稳定性、拓展其驱动方式，本论文选择几种结构不同的碳纳米材料作为增强相或功能相，添加到ESMP基体中合成纳米复合材料，研究所制备纳米复合材料的微观结构、力学和形状记忆等性能，为ESMP的实际应用提供有价值的参考。通过剥离氧化石墨（GO）制备热还原氧化石墨（TrGO），并分别通过溶液混合法和三辊混合法制备TrGO/ESMP纳米复合材料（TrGO质量分数

5、1%）。系统比较了两种方法合成的TrGO/ESMP纳米复合材料的微观结构、力学性能、热稳定性和热驱动形状记忆等性能。研究了TrGO的质量分数（1%~3%）对TrGO/ESMP纳米复合材料（三辊混合法制备）结构与性能的影响。通过拉伸实验和三点弯曲实验表征TrGO/ESMP纳米复合材料的力学性能，利用动态力学分析（DMA）表征复合材料的热力性能，利用热重分析（TGA）研究复合材料的热稳定性，通过热驱动形状回复实验研究TrGO的添加对ESMP形状记忆性能的影响。通过研究化学气相沉积法（CVD）生长碳纳米管（CNTs）阵列过程中生长温度对阵

6、列高度及有序性的影响，优化了CNTs阵列的生长温度。通过溶液渗透法将形状记忆环氧树脂灌注进CNTs阵列，继以热聚合，合成CNTs阵列/ESMP纳米复合材料。通过扫描电子显微镜观察该复合材料中CNTs的分布取向性，并与机械搅拌法制备的无序CNTs/ESMP复合材料相对比。通过纳米压痕实验比较纯ESMP、无序CNTs/ESMP复合材料和CNTs阵列/ESMP复合材料的模量和硬度。通过记录以上三种材料在微波辐射中的升温速率比较它们的微波加热性能。通过微波驱动形状回复实验研究无序CNTs或CNTs阵列对ESMP微波驱动形状记忆性能的影响。研

7、究表明，CNTs阵列/ESMP纳米复合材料具有比纯ESMP和无序CNTs/ESMP复合材料更短的形状回复时间。通过三辊混合法制备了由ESMP和不同维度的碳纳米材料（零维碳黑CB、I摘要一维多壁碳纳米管MWCNTs、二维石墨纳米板GNPs，和三维功能化石墨烯片FGSs）构成的微波响应性纳米复合材料。利用扫描电子显微镜观察碳纳米材料在ESMP基体中的分散状态及填料-基体的界面结合情况。利用拉伸和三点弯曲实验比较四种碳纳米材料对ESMP的力学增强效应。通过记录材料在微波辐射中的升温情况比较材料的微波加热性能，研究表明FGSs/ESMP复合

8、材料的升温速率最快。通过微波驱动形状回复实验比较材料的微波驱动形状记忆性能。基于四种碳纳米材料的结构及其在ESMP中的分散状态，深入探讨微波在纳米复合材料中传播与吸收的可能机理。关键词：环氧；形状记忆；纳米复合材料；碳纳米管；石墨烯；