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1、第2期高分子通报#9#碳纳米管及碳纤维增强环氧树脂复合材料研究进展邱军,陈典兵(同济大学材料科学与工程学院,先进土木工程材料教育部重点实验室,上海201804)摘要:碳纳米管与碳纤维具有优异的力学、电学等性能,广泛用做复合材料增强体,但目前碳纳米管/碳纤维/环氧树脂复合材料的研究具有一定的局限性,只考虑了两相材料间的作用,即仅对单一相进行处理而忽略了另一相的改性。本文从碳纳米管/碳纤维协同增强环氧树脂基体复合材料的思路入手,结合自己的研究成果,综述了国内外相关研究进展。从研究结果可以看出,将三相材料之间完全有效地联系起来,发挥三者间的协同效
2、应,复合材料的性能可以发生质的飞跃。关键词:碳纳米管;碳纤维;环氧树脂;三相复合材料引言[1]日本科学家Iijima在1991年首次发现碳纳米管(CNTs)。碳纳米管具有着优异的力学、电性能和热性能,抗拉强度达到200GPa,弹性模量可达1TPa,并且具有低密度、高长径比等结构特点,因此成为聚合物复合材料的理想增强材料。碳纤维(CF)具有十分优异的力学性能,同时耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、低热膨胀系数、导电导性、电磁屏蔽性优良等。碳纤维复合材料同样具有其它复合材料无法比拟的[2]优良性能,广泛应用于航空航天、汽车、电子电气等领域。环氧树
3、脂(EP)是一种高性能复合材料基体,具有优良的机械性能、绝缘性能、耐腐蚀性能、黏接性能和低收缩性能。当前以环氧树脂为基体的高性能复合材料应用广泛,碳纳米管/环氧树脂复合材料和碳纤维/环氧树脂复合材料凸显了优异的力学和综合性能,那么如何再进一步提高这两类复合材料的性能呢?本文在简要综述碳纳米管和碳纤维对环氧树脂复合材料性能改善的前提下,进一步综述了碳纳米管/碳纤维/环氧树脂三相复合材料的研究进展,并对其可能的发展进行了预测。1碳纳米管增强环氧树脂复合材料的研究碳纳米管在理论上是复合材料理想的增强材料,其超强的力学性能和热稳定性可极大地改善聚合
4、物基复合材料的强度和韧性。近年来,碳纳米管/聚合物复合材料的研究已成为碳纳米管应用研究的一个新热点。从CNTs对环氧树脂复合材料强度方面的影响来看,CNTs高长径比导致容易团聚成束而在复合材料中分散不均匀,并且其管壁之间只有范德华力作用,相邻管壁之间很容易产生滑移而影响载荷传递性。通过表面功能化使CNTs与聚合物基体之间形成化学键,可以有效地改进CNTs与聚合物基体间的界面[5]粘结与应力传递,从而改善复合材料的力学性能。Zhu等研究了单壁碳纳米管(SWNTs)表面接枝有机化合物正己胺对EP基复合材料性能的影响,研究表明,当CNTs质量分数
5、为4%时,材料的拉伸弹性模量从纯EP的2102GPa提高到3140GPa,拉伸强度也从原来的83123MPa提高到102153MPa。Zhu[5]等通过先酸化后氟化的方法对SWNTs进行处理,结果表明,处理后的SWNTs可以极好地分散于环氧树脂中,并可以与环氧树脂反应,基体的机械性能提高30%,拉伸性能提高18%。收稿:2011-04-25;修回:2011-07-18;基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2009AA03Z528);作者简介:邱军,男,工学博士,教授,博士研究生导师,研究方向为高性能聚合物基复合材料;E-ma
6、il:qiujun@tongji.edu.cn.#10#高分子通报2012年2月[15]Lau等研究发现随着碳纳米管含量的增加,碳纳米管/环氧树脂复合材料的拉伸强度会提高。这主要是由于高比表面积的碳纳米管在基体中形成网状结构。但这种网状结构并不能提高复合材料的弯曲强度,弯曲强度主要取决于碳纳米管和基体间的界面结合力。另外,使用不同溶剂分散碳纳米管也会[4]对复合材料的硬度产生影响。Li等研究了EP/双壁碳纳米管(DWNTs)复合材料的拉伸性能,发现其拉伸强度与拉伸弹性模量分别比纯EP提高25%和75%。当CNTs均匀分散在EP基复合材料中时
7、,发现其拉伸强度与拉伸弹性模量可分别高达115GPa和218GPa。拉曼光谱表明应力能够有效地从基体[14]传递到CNTs,这说明EP/CNTs有很好的粘结界面,从而改善了复合材料的力学性能。Chen等将硝酸酸化接枝EP的CNTs与EP复合制备了纳米复合材料,研究发现纳米复合材料的弹性模量没有降低,[7]而弯曲强度比纯EP明显提高。Schadler等对碳纳米管/环氧树脂复合材料的抗拉和抗压性能进行了研究。测试显示,复合材料的压缩弹性模量高于拉伸弹性模量,并发现在拉伸作用时只有碳纳米管的外[18]层表面传递载荷,而压缩时碳纳米管内外各层都起作
8、用。Allaoui等研究了多壁碳纳米管(MWNTs)/环氧树脂复合材料的力学和电学性能,发现加入lwt%的碳纳米管可以使复合材料的杨氏模量和屈服强[16]度提高一倍,4wt%的碳
