碳纳米管-连续碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能研究.pdf

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1、碳纳米管/连续碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能研究赵东林乔仁海沈曾民（北京化工大学可控化学反应科学与技术基础教育部重点实验室，碳纤维及复合材料研究所北京100029）摘要：用竖式炉流动法，以二茂铁为催化剂，硫为助催化剂，苯为碳源制备了碳纳米管。用T300连续碳纤维和多壁碳纳米管为增强体，环氧树脂为基体，制备了单向碳纤维与碳纳米管增强的树脂基复合材料，并研究了复合材料的力学性能，碳纤维的体积分数为60％。基体中碳纳米管含量为0时，复合材料的断裂强度为1430Mpa，模量为118GPa；基体中碳纳米管含量为1wt％时，复合材料的断裂强度为1450MPa，模量为166GPa；基体中碳纳米管含量为

2、3wt％时，复合材料的断裂强度为1780MPa，模量为164GPa；基体中碳纳米管含量为5wt％时，复合材料的断裂强度为1120MPa，模量为126GPa。基体中碳纳米管含量为3wt％时，复合材料的力学性能最好。关键词：碳纳米管，连续碳纤维，复合材料1引言[1]自1991年Iijima发现碳纳米管以来，碳纳米管引起人们的广泛关注，成为化学、物理和材料等科学领域的研究热点。制备碳纳米管的方法主要有石墨电弧法(又称直流电弧法)、催化裂解法、激光蒸发石墨棒法、热解聚合物法、火焰法、离子(电子束)辐射法、电[2-9]解法、模型碳化等，其中以Fe、Co、Ni等金属为催化剂，催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管

3、的方法，使碳纳米管的工业化生产成为可能。碳纳米管多种多样的形状和结构，使其具有许多潜在的应用价值，如用于材料的增强、一维量子导线、半导体材料、催化剂载体、分子吸收剂、隧道扫描和原子力显微镜的探头等。碳纳米管具有管径小、长径比大的特点，直径在几十纳米以内，管的轴向长度为微米至厘米量级，是目前最细的纤维材料，这种独特的结构使碳纳米管具有优异的力学性能和独特的电学性能。实验表明，单根多层[10]碳纳米管杨氏模量平均为1.8TPa，弯曲强度达14.2GPa。总之，碳纳米管的制备及其性能研究已经进行了非常多的研究工作，近年来有关碳纳米管复合材料的研究已成为碳纳米管应用研究的热点之一。本文用T300连续碳

4、纤维和多壁碳纳米管为增强体，环氧树脂为基体，制备了连续单向碳纤维与碳纳米管增强的树脂基复合材料，并研究了复合材料的力学性能。2实验2.1多壁碳纳米管的制备用竖式炉流动法，以二茂铁为催化剂，硫为助催化剂，苯为碳源制备碳纳米管，反应温度为1100~1200℃。2.2碳纳米管/连续碳纤维环氧树脂复合材料的制备按照一定配比，将环氧树脂与固化剂混合均匀，加入一定量的多壁碳纳米管搅拌，并进行超声分散，抽真空脱泡后注入浸渍槽，把日本东丽公司制造的T300碳纤维浸渍树脂后，在模具内固化成型，碳纤维的体积含量为60％。2.3复合材料力学性能测试和微观结构研究1在万能材料实验机（INSTRON－1121）上按照G

5、B3356－82进行复合材料弯曲力学性能测试。用透射电子显微镜（TEM）：JEOLJEM－1200EX型（工作电压100KV）和扫描电子显微镜（SEM）：STEREOSCAN250MK3型（英国CAMBRIDGE公司）研究碳纳米管和复合材料的微观结构。3结果和讨论3.1碳纳米管/连续碳纤维环氧树脂复合材料的微观结构图1为制备的多壁碳纳米管透射电镜照片，碳纳米管的外径为20~50纳米，内径10~30纳米，长度50~1000µm。图2和图3分别为碳纳米管/连续碳纤维增强环氧树脂复合材料的扫描电镜照片，碳纳米管在复合材料基体中分布比较均匀，在碳纤维与环氧树脂的界面上也有碳纳米管存在（图3）。图1碳纳

6、米管的透射电镜照片100nmFig.1TEMimageofcarbonnanotubes图2复合材料横断面的SEM照片Fig.2SEMimagesoftransectsofcarbonnanotubeandcarbonfiberreinforcedcomposites3.2碳纳米管/连续碳纤维环氧树脂复合材料的力学性能图4为碳纳米管/连续碳纤维环氧树脂复合材料的弯曲断裂强度与模量随环氧树脂基体中碳纳米管含量的变化关系，从图中可以看出，基体中碳纳米管含量为0时，复合材料的断裂强度为1430Mpa，模量为118GPa；基体中碳纳米管含量为1wt％时，复合材料的断裂强度为1450MPa，模量为166

7、GPa；基体中碳纳米管含量为3wt％时，复合材料的断裂强度为1780MPa，模量为164GPa；基体中碳纳米管含量为5wt％时，复合材料的断裂强度为1120MPa，模量为126GPa。基体中碳纳米管含量为3wt％时，复合材料的力学性能最好。2图3复合材料纵断面的SEM照片Fig.3SEMimagesofverticalsectionofcarbonnanotubeandcarbonfiberrei