碳纳米管对碳纤维_环氧树脂复合材料力学性能的影响

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1、７０２０１２年增刊Ⅰ（４３）卷＊碳纳米管对碳纤维／环氧树脂复合材料力学性能的影响高颖１，吕亚清１，潘丽２（１．武汉工程大学机电工程学院，湖北武汉４３００７２；２．武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉４３００８１）摘要：为了探讨碳纳米管（ＣＮＴｓ）对碳纤维／环氧２实验树脂复合材料（ＣＦ／ＥＲ复合材料）力学性能与疲劳寿命的影响，利用静态拉伸实验和拉－拉疲劳实验沿纤维２．１复合材料层压板的制备方向对ＣＦ／ＥＲ复合材料和ＣＮＴｓ增强ＣＦ／ＥＲ复合碳纤维织物（美国Ｈｅｘｃｅｌ公司）为２／２斜纹梭织材料（ＣＮＴ

2、ｓ／ＣＦ／ＥＲ复合材料）进行了对比研究，同时面料，其弹性模量为２２８ＧＰａ，抗拉强度为４３７１ＭＰａ；利用Ｘ射线仪与扫描电镜对试样进行了观察。研究环氧树脂ＨＲ－８３００ＲＴＭ（常州市华润复合材料有限公结果表明，ＣＮＴｓ的加入，虽然对ＣＦ／ＥＲ复合材料的司）的粘度为０．１８～０．２２Ｐａ·ｓ（２５℃）。固化剂２－乙拉伸力学性能影响不明显，但可以提高高周疲劳寿命基－４－甲基咪唑为武汉洪山中南化工试剂有限公司生约４倍，使各种实验应力水平下的裂纹密度降产。碳纳米管（ＣＮＴｓ，纯度＞９０％）由中国科学院成都低

3、９．５％以上，并可观察到试样中ＣＮＴｓ的拔出、破裂有机化学有限公司提供。及桥联作用。由此可见，ＣＮＴｓ的加入可明显改善将纯环氧树脂加入固化剂混合均匀，采用模压成ＣＦ／ＥＲ复合材料的疲劳寿命。型工艺制备含有７层纤维的ＣＦ／ＥＲ复合材料层压板。关键词：碳纤维／树脂复合材料；碳纳米管；力学性另将含有０．２５％（质量分数）ＣＮＴｓ的环氧树脂，按同能；疲劳寿命；损伤机制样工艺制备ＣＮＴｓ／ＣＦ／ＥＲ复合材料层压板。每片层中图分类号：ＴＢ３３２；ＴＧ１１５．５文献标识码：Ａ压板的尺寸为４００ｍｍ×４００ｍｍ，平

4、均厚度为２．１ｍｍ。文章编号：１００１－９７３１（２０１２）增刊Ⅰ－００７０－０３固化工艺为７０℃／１ｈ→１５０℃／１ｈ→１７０℃／１ｈ。采用光学显微镜观察不同区域的横截面，以确保用于实验的１引言层压板中织物浸渍完好、无空隙以及热裂纹等缺陷。碳纤维增强复合材料具有轻质高强、耐高温、抗腐２．２性能测试及表征蚀等优点，已被广泛应用于航天、航空、体育和汽车等拉伸实验依据ＡＳＴＭＤ３０３９标准在ＩＮＳＴＲＯＮ［１］行业。但由于碳纤维增强复合材料早期损伤的发生４５０５万能材料实验机上进行，加载速率为０．５ｍｍ

5、／导致其断裂韧性受到了一定限制。在过去的１０年中，ｍｉｎ。疲劳实验根据ＡＳＴＭＤ３４７９－３６标准在纳米增强材料作为一种新型的填料已被加入到高分子ＳＣＨＥＮＣＫ疲劳实验机上完成，应力比Ｒ＝０．１（σｍｉｎ／［２－５］复合材料中。碳纳米管（ＣＮＴｓ）的管直径在纳米尺σｍａｘ），分别选用７００ＭＰａ（接近静态拉伸极限强度）、度，长度可超过１ｍｍ，由于其异常大的长径比、比刚度６００、５５０和５００ＭＰａ应力水平进行实验以构建Ｓ－Ｎ曲和强度，使之成为复合材料中增强材料的理想选择。线。拉伸及疲劳实验试样均按标

6、准裁成２５０ｍｍ×大量的研究表明，ＣＮＴｓ可以提高环氧树脂的力学性２５ｍｍ的矩形条状，两端粘贴增强片。［６］能与疲劳性能；对于纤维增强复合材料，通过加入用Ｘ射线衍射仪观察疲劳试样基体裂纹的形貌，［７，８］ＣＮＴｓ也可以改善其断裂韧性和疲劳性能，原因在并在试样端面和断裂面之间选择不同部位拍摄Ｘ射于ＣＮＴｓ的存在提高了纤维与基体之间的附着力，减线衍射图像，取图像中１ｃｍ２的正方形面积内的裂纹数［９］２少了裂纹的形成与扩展。用于计算裂纹密度（１／ｃｍ）。采用ＰｈｉｌｉｐｓＸＬ３０型扫本文选择碳纤维和环氧树

7、脂分别为层压复合材料描电镜观察试样断口。的增强材料和基体，以０．２５％（质量分数）ＣＮＴｓ为填３实验结果与讨论料，制备了碳纤维／环氧树脂复合材料（ＣＦ／ＥＲ复合材料）和ＣＮＴｓ增强ＣＦ／ＥＲ复合材料（ＣＮＴｓ／ＣＦ／ＥＲ复３．１拉伸实验合材料），探讨了ＣＮＴｓ对ＣＦ／ＥＲ复合材料力学性能ＣＦ／ＥＲ及ＣＮＴｓ／ＣＦ／ＥＲ复合材料在纤维方向的与疲劳寿命的影响规律。拉伸力学性能结果如表１所示。由表１可知，ＣＮＴｓ／ＣＦ／ＥＲ复合材料比原始ＣＦ／ＥＲ抗拉强度提高了９．０％，弹性模量提高了３．７％（纤维体积分

8、数为＊收到初稿日期：２０１２－０６－０９收到修改稿日期：２０１２－０７－１６通讯作者：高颖作者简介：高颖（１９６９－），女，湖北武汉人，硕士，从事复合材料方面的研究。高颖等：碳纳米管对碳纤维／环氧树脂复合材料力学性能的影响７１［１０］５５．０％），结果表明，ＣＮＴｓ对改进ＣＦ／ＥＲ复合材料的作用。两种材料的应力－应变曲线基本呈线性，均属力学性能不显著。这是由于高性能复合材料的拉伸力于脆性断裂。观察两种材料的断裂面可以发现，均垂学性能主要由纤维的性能决定，树脂只起到传递