碳纳米管碳纤维多尺度增强体及其环氧复合材料的制备与性能研究

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1、国密级中国科学院大学UⅡivers址yofChin船eAcademyofScieⅡces博士学位论文毯细苤暨：毯红缍垒尽廑增强佳厘甚珏氢复金挝抖的剑鳘皇性篷班嚣作者姓名：韭金滏指导教师：昌壹拦班塞虽生垦科堂睦出酉堪塞丝堂班宣匮学位类别：王堂簋±学科专业：挝抖堂培养单位：生屋科堂院出酉堪塞业堂班宜压二零一二年十月ByGuoJinhaiADissertationSubmittedtoUniVersi锣ofChineseAcademyofSciencesInpartialful6IlmentoftherequirementForthedegreeofDoctoro

2、fEngineeringInstituteofCoalChemistIMChineseAcademyofSciencesoctober．2012㈣6㈣5Ⅲ圳1删2圳8洲3洲2⋯川r致谢首先，我诚挚地感谢我的博士生导师吕春祥研究员。吕老师在我的整个论文阶段都始终给以了指导、关注和激励，并与我分享其科研经历，传授其科研信念，使得我在科研的道路上走得更加富有激情。同时，吕老师的真挚、亲切、豁达的崇高品质深深地感染着我，是我终生学习的榜样。在此，谨向导师三年来的教育和培养致以衷心地感谢!在论文开展期间，有幸得到了中国科学院炭材料重点实验室的刘朗研究员、郭全贵研究员、

3、史景利研究员、宋燕研究员、郭向云研究员、朱珍平研究员等在学术上的指导和帮助，在此向以上几位老师表示深深地谢意!感谢碳纤维制备技术国家工程实验室在整个实验阶段宽松而严谨的实验环境和大力资助，感谢西格里碳素集团在连续线制备方面的项目资助!感谢碳纤维制备技术国家工程实验室贺福研究员、杨章玄高工、李永红研究员、张寿春研究员、杨禹副研究员、吴刚平副研究员在论文工作上的指导；感谢实验室的边瑞芳老师在扫描电镜测试方面的帮助和热情讨论；感谢哈尔滨工业大学刘丽教授在单丝界面剪切强度测试方面给以的帮助和宝贵的意见；感谢北京航空航天大学的代志双博士在碳纤维动态接触角测试方面的帮助

4、；感谢经德齐、周普查、安锋、卢慧斌、吕晓轩、郝俊杰、李海、董晓忠、夏克东、李登华、和树庆、严华、黄胜云、原浩杰、李皓等同学在工作、学习和生活上的帮助和支持!感谢研究生部、图书馆、仪器站以及物资处在工作和生活方面的关心和帮助!最后，谨将此论文献给我的亲爱的母亲和兄长，家人在二十多年来的养育支持鼓励是我精神上无尽的动力!郭金海2012年10月摘要碳纤维复合材料，尤其是碳纤维增强聚合物基复合材料，因其具有高强度、高模量、低密度以及耐化学性和耐候性等优点成为在航空航天、汽车制造、体育用品以及其他领域应用中的主导材料。碳纤维复合材料的力学性能主要由增强体纤维、树脂基体

5、以及作为二者连接的界面来决定。界面在应力转移方面扮演着重要的角色，并在很大程度上决定了结构性复合材料的设计。因此提高界面结合性能的工作一直是复合材料领域科研工作者的研究兴趣。本论文采用电泳沉积的方法将纳米级的碳纳米管与传统微米级的碳纤维进行有机结合制备碳纳米管．碳纤维多尺度增强体材料，通过改善复合材料的界面粘结性能进而提高复合材料整体性能，同时也为将来在多尺度增强体的规模化、连续化实施方面提供一定的理论基础和实验室数据。论文的主要结论为：碳纳米管经过混酸处理之后，可以在超声的作用下得到稳定的分散液，而且因其表面生成了大量的含氧官能团而使其表现出负的Zeta电

6、位，进而可以使用阳极电泳沉积技术有效地将分散在去离子水中的碳纳米管均匀地沉积在碳纤维表面。水相电泳过程中超声波的引入可降低水电解的影响而提高了沉积质量。所制备的碳纳米管．碳纤维多尺度增强体是一种全碳体系的增强材料，与初始纤维相比，具有更大的粗糙度和对树脂的浸润性。碳纳米管的沉积有效地提高了碳纤维单丝拉伸强度和界面剪切强度，分别提高了16．0％和68．8％。水相和有机相电泳沉积都可以用来实现碳纳米管在碳纤维布表面的选择性沉积。增强体材料随后采用真空辅助树脂转移模塑手段制备了多尺度增强环氧复合材料。乙醇有机相阴极电泳沉积在缩短沉积时间、改善沉积形貌的可控性方面比

7、水相沉积有优势。其中乙醇相一分钟的碳纳米管沉积形貌与水相阳极电泳沉积十五分钟的相当。而长时间过度地沉积所形成的碳纳米管膜对后续复合材料的制备以及其力学性能都有负作用。碳纳米管沉积对采用真空灌注制备的复合材料的厚度及表观密度影响较小。其中乙醇相沉积三分钟碳纳米管制备的多尺度增强复合材料的提高幅度最大，其层间剪切强度、弯曲强度和弯曲模量分别增长了23．23％、17．39％和16．00％。i碳纳米管-碳纤维多尺度增强体及其环氧复合材料的制备与性能研究同时碳纳米管的沉积增加了复合材料的储能模量，降低了材料的损耗因子。另外，在不影响复合材料面内的导电导热性能的情况下，

8、可显著地提高其面外热电传导性，其中，面外导热率提高约