碳纳米管∕连续碳纤维增强树脂基复合材料进展及其应用

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1、专题sPEC眦ToPlc唐玉生等瞪I将纯化的碳纳米管加入到双马来酰亚1033胺中，再与碳纤维复合制备出复合材料。研究显示，当碳纳米管加入量(质量分数)为l时，体系的层问剪切强度和弯曲强度分别提高51．4％和10．1％。这些研究结果表明，碳纳米管的加入，大幅提高了碳纤维／聚合物基复合材料的力学性能j1．2纤维化学改性法哈工大早在2005年就提出了利用化学法在碳纤维上接枝碳纳米管的思想，从而实现碳纤维和碳纳米管的化学结合，又经过7年的刻苦攻关，现在他们可以有效的控制碳纳米管的接枝密度，使碳纤维复合材料的界面性能提高

2、一倍以上jETThostenson等ml通过化学气相沉积在碳纤维表面直接生长出一层碳纳米管，其材料的界面应力传递能力得到显著提高；Veedu等【”应用化学气相沉积法在碳纤维布上生长CNTs，制备了j维增强多功能复合材料，在复合材料厚度方向上通过CNTs起到增强作用。该多功能复合材料的层间断裂韧性、硬度、面内力学性能、冲击性能和热、电传导性等都有很大程度的提高，使复合材料真正具备多功能性。AlanMCassell等mI通过化学气相沉积法在多孑L聚苯乙烯微球体表面生长出了相互交联的网络状CNTs，通过改变微球体的直

3、径以及催化剂种类，能够改变网络状CNTs的交联程度．从而改善复合材料的性能。同济大学研制出一种碳纤维／碳纳米管／双马来酰亚胺树脂混杂复合材料的制备方法。制备原理是将纯化的碳纳米管和干燥的碳纤维经过表面羧基化、酰氯化后+在其上引入具有特征结构的二元胺或多元胺碳纳米管和碳纤维表面上接有大量的二元胺或多元胺，再将接有此胺基的碳纳米管与双马来酰亚胺树脂进行加成反应，从而得到含有碳纳米管的双马来酰亚胺树脂线性嵌段聚合物，再将其作为基体和碳纤维按一定方式复合，最后形成以共价键相连的多维混杂复合材料结构。1．3纤维物理复合法

4、Gareia等一l提出了取向碳纳米管增强复合材料模型，先预浸渍碳纤维表面，再通过压扎方法使碳纳米管穿透碳纤维表面聚合物层，碳纳米管将整齐垂直于碳纤维．如此浸渍压扎将得到多层碳纳米管包覆的碳纤维。该模型通过实验得到了很好的证实RI。刘刚等⋯”将碳纳米管与表面活性剂及去离子水配成溶液，采用真空抽滤法制备碳纳米管膜。将碳纳米管膜置于每层碳纤维间，采用RTM成型工艺，将纤维预制体放入模具后，将环氧树脂压入闭合模具，完成充模并固化。得到碳纳米管膜层间改性碳纤维／环氧树脂复合材料。研究表明，碳纳米管膜的加入对复合材料的I7

5、2航审制造技术·2014年第15期型层间断裂韧性没有明显的改性作用，但Ⅱ型层间断裂韧性从碳纤维／环氧树脂复合材料的1292J／m2提高到了2869J／m2，提高了120％。碳纳米管的相互交叠、缠结而形成的网络结构有效地阻碍了层问微裂纹的扩展。综上所述，树脂添加法方法南于受到碳纳米管分散均匀性及树脂粘度的限制，树脂中碳纳米管的加入量不高，且分散时间长、效率低。但由于树脂的存在，该方法能有效地防止分散后的碳纳米管的再次团聚。纤维化学改性法对工艺条件和技术设备要求较高，无法进行大量生产。同时需清除残留的催化剂杂质，否

6、则将严重影响材料界面粘结性能。但该法通过化学键将碳纳米管连接在碳纤维表面，大大提高了碳纳米管与碳纤维间的结合力。纤维添加法仅将碳纳米管通过聚合物与碳纤维相连，没能有效地将碳纳米管与碳纤维结合在一起。但该法提高了复合材料中碳纳米管的掺入量。通过以上研究可以看到碳纳米管的掺杂使碳纤维树脂基复合材料性能得到提升，但多数研究只考虑了2种材料间的作用，如碳纤维与碳纳米管结合，或是聚合物基体与碳纳米管作用。如果能将碳纳米管、碳纤维和聚合物基体之间有效联系起来，利用彼此的相互作用和协同作用，则碳纳米管和碳纤维的性能转化率会大

7、大提高⋯I。2应用目前，对于碳纳米管／连续碳纤维增强树脂基复合材料的应用还是比较少，国内尚未见该方面的报道，国外也只有少数方面的应用。其中，最著名的就是ZyvexPerformanceMaterials(ZPM)公司宣布的一款轻型复合材料船只Piranha水上机器人(USV)，如图2(a)所示。PiranhaUSV是目前使用碳纳米管增强材料的最大型舰艇，几乎全部由Arovex⋯型碳纳米管增强碳纤维预浸料建造而成。与目前的USV相比，PiranhaUSV是它们3倍的运载能力和lo倍的航行能力。ZPM公司在复合材料

8、市场取得的最大成功就是公司生产的Arovex⋯型碳纳米管增强碳纤维预浸料。据报道，与未添加碳纳米管(CNTs)的同类I。{，JL／、爪I⋯⋯皿h⋯I⋯{1l4tJ、r：jr_u眦【I：＼一li图2碳纳米管增强舰艇Fig．2VesselmadebyCarbonNanotubesReinforcedMaterials胁恤"哪协刚吲们㈣m。㈣咖，。复合材料构件制造技术预浸材料相比，该产品(A