環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料韌性和粘接性能的研究.pdf

1、環(huán)氧樹(shù)脂是一種典型的熱固性材料，具有良好的力學(xué)性能，在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。特別的，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂(carbon fiberreinforcedepoxy，CF/EP)復(fù)合材料是航空工業(yè)中一種重要的結(jié)構(gòu)材料。然而，未經(jīng)過(guò)改性的環(huán)氧樹(shù)脂韌性較差，導(dǎo)致 CF/EP復(fù)合材料容易發(fā)生層間開(kāi)裂和纖維分層，是阻礙環(huán)氧樹(shù)脂應(yīng)用和發(fā)展的關(guān)鍵。所以，提高環(huán)氧樹(shù)脂的本體韌性和 CF/EP復(fù)合材料的層間韌性是一直亟待解決的問(wèn)題。近年來(lái)有很多工作采用添加納

2、米填料來(lái)改善上述性能，但發(fā)現(xiàn)雖然環(huán)氧樹(shù)脂的本體韌性可以被大幅提高，但該韌性難以在 CF/EP復(fù)合材料中得到充分發(fā)揮，層間韌性仍有待進(jìn)一步提高。同時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂的廣泛應(yīng)用還得益于其良好的粘接性能，但有關(guān)濕熱環(huán)境和疲勞載荷對(duì)環(huán)氧復(fù)合材料粘接性能影響的研究還不是很全面。針對(duì)以上問(wèn)題，本文使用短碳纖維、石墨烯、碳納米管-短碳纖維等填料增韌環(huán)氧本體的同時(shí)對(duì)CF/EP復(fù)合材料進(jìn)行層間增韌，并研究了濕熱環(huán)境和疲勞載荷對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料粘接性能的影響，具

3、體工作如下。
　　分別使用短碳纖維(SCFs)和石墨烯填料提高環(huán)氧樹(shù)脂的本體韌性。石墨烯通過(guò)在700oC空氣中熱還原氧化石墨烯制得。在環(huán)氧樹(shù)脂基體中添加2.5wt.％的SCFs能使本體的斷裂韌性和斷裂能量釋放率分別提高142%和367%；添加1.0wt.%的石墨烯在增加本體的斷裂能量釋放率(~150%)的同時(shí)使熱膨脹系數(shù)降低~30%。本章針對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂本體增韌的研究為下兩章CF/EP復(fù)合材料的層間增韌奠定了基礎(chǔ)。
　　生長(zhǎng)碳納

4、米管(CNTs)的SCF(CNT-SCFs)有效提高了環(huán)氧樹(shù)脂基體的本體韌性向CF/EP層間韌性的轉(zhuǎn)移率，并極大的提高了CF/EP復(fù)合材料的層間韌性。首先通過(guò)火焰法在微米尺寸的 SCFs上生長(zhǎng)納米尺寸的 CNTs，然后分別使用多級(jí)增韌體系CNT-SCFs和未生長(zhǎng)CNT的SCFs層間增韌CF/EP復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，僅使用SCFs層間增韌CF/EP復(fù)合材料時(shí)，SCFs/環(huán)氧樹(shù)脂的本體韌性并不能得到有效發(fā)揮。當(dāng)SCFs表面生長(zhǎng)CNT

5、s后，即使在較低的面密度(1.0mg/cm2)情況下，CF/EP復(fù)合材料的I型層間韌性(GIC)相比對(duì)照組增加了125%(1.17kJ/m2)，并且CNTs與SCFs有良好的協(xié)同增韌效應(yīng)。通過(guò)SEM表征等分析，發(fā)現(xiàn)該協(xié)同增韌效應(yīng)來(lái)自于CNTs從基體拔出時(shí)吸收的斷裂能，以及CNTs改善了SCFs與環(huán)氧基體的界面強(qiáng)度。
　　使用石墨烯層間增韌 CF/EP復(fù)合材料，獲得了良好的韌性轉(zhuǎn)移率及更佳的增韌效果，并且實(shí)現(xiàn)了裂紋的在線監(jiān)測(cè)。將半固

6、化的石墨烯/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料置于CF/EP復(fù)合材料的中間層，發(fā)現(xiàn)在CF/EP復(fù)合材料中不僅石墨烯/環(huán)氧樹(shù)脂基體的本體韌性得到了有效發(fā)揮，并且石墨烯改善了碳纖維與環(huán)氧基體的界面強(qiáng)度，使GIC得到了顯著提升(140%)。同時(shí)將裂紋長(zhǎng)度與在線同步測(cè)得的電阻/電流信號(hào)相聯(lián)系，建立了二者變化值之間的函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)裂紋在CF/EP復(fù)合材料中的擴(kuò)展。
　　使用納米填料提高環(huán)氧樹(shù)脂的粘接強(qiáng)度，并完善了濕熱環(huán)境和疲勞載荷對(duì)環(huán)氧復(fù)合材料粘接

7、性能影響的研究。基于課題組對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料本體各項(xiàng)機(jī)械性能的研究，對(duì)三種納米填料分別改性環(huán)氧樹(shù)脂的粘接強(qiáng)度進(jìn)行了研究，其粘接性能均優(yōu)于未改性的環(huán)氧粘膠。選擇納米二氧化硅填料進(jìn)一步研究動(dòng)態(tài)載荷以及濕熱環(huán)境對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料粘接性能的影響。結(jié)果顯示經(jīng)過(guò)相同的濕熱環(huán)境處理后，添加了納米二氧化硅的環(huán)氧樹(shù)脂粘膠仍保持比純環(huán)氧樹(shù)脂更優(yōu)的粘接性能。在循環(huán)載荷下，當(dāng)試件未經(jīng)過(guò)濕熱環(huán)境處理時(shí)，納米二氧化硅改性的環(huán)氧樹(shù)脂粘膠較純環(huán)氧的疲勞壽命更長(zhǎng)；但