二氧化硅纳米粒子/碳纳米管杂化纳米增强体的制备及其对CFRP增强效应的研究

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碳纤维树脂基复合材料因具有轻质高强等优点被广泛应用于航天航空、体育器械等军事与民用领域。碳纳米管因其独特的结构具有极大的韧性、超高的强度等优异性能,是复合材料最理想的增强材料,能明显改善纤维复合材料的界面性能及整体力学性能。然而,碳纳米管分散性和界面结合差等缺点极大地限制其应用范围,且碳纳米管的增强机制也有待深入研究。本文采用多步化学接枝方法成功制备了由零维二氧化硅纳米粒子/一维碳纳米管组成的杂化纳米增强体(SiO2-MWCNTs),系统研究了纳米增强体的分散性和界面结合及其对碳纤维复合材料的协同增强效应,同时结合理论计算揭示了纳米增强体对碳纤维复合材料的增强机制,为碳纤维复合材料的实际工程应用提供了重要的理论指导和实验数据。基于多步化学接枝方法依次对多壁碳纳米管进行混酸氧化、硅烷偶联剂硅烷化、二氧化硅纳米粒子负载等表面化学修饰。采用红外光谱(FTIR)、热失重(TGA)、光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)以及透射电镜(TEM)等手段对化学修饰后的碳纳米管进行表征,结果表明成功制备了羧基化碳纳米管(c-MWCNTs)、环氧基化碳纳米管(MWCNTs-C2H3O)、氨基化碳纳米管(MWCNTs-NH2)以及二氧化硅纳米粒子/碳纳米管杂化纳米增强体(SiO2-MWCNTs)。系统研究了化学修饰碳纳米管的分散性和界面结合性能及其对环氧树脂基体和碳纤维复合材料力学性能的影响规律。力学测试表明在加入功能化的MWCNTs-C2H3O、MWCNTs-NH2后,环氧树脂浇注体的拉伸和弯曲强度均有提高。含有MWCNTs、MWCNTs-C2H3O、MWCNTs-NH2和SiO2-MWCNTs的环氧树脂的拉伸模量分别提高了7.7%、8.0%、8.6%和21.0%,弯曲模量分别提高了1.7%、3.5%、3.7%和11.8%。官能化碳纳米管增强的CF/EP单向复合材料的弯曲强度分别增加了3.7%、14.1%、19.5%和27.7%,弯曲模量分别增加了18.5%、21.4%、30.8%和33.3%。CF/EP单向复合材料的层间剪切强度则分别增加了7.5%、9.3%、9.9%和15.3%。同时CF/EP缠绕复合材料筒体的压缩模量分别提高了38.3%、46.2%、56.0%和60.3%。结合复合材料微观形貌观察分析表明,由于增强体SiO2-MWCNTs在树脂基体及碳纤维复合材料中分散均匀且界面结合优异,二氧化硅纳米粒子增大了碳纳米管的增强界面,使杂化纳米增强体具有明显的桥联作用,提高了树脂和纤维间的界面结合力,使应力更好的传递给增强纤维。基于杂化纳米增强体的几何形状特征,修正了传统的混合定律与Halpin-Tsai方程,建立了基于代表性体积单元(RVE)模型的有限元方法(FEM),系统研究了杂化纳米增强体对碳纤维复合材料的增强机制。研究表明,修正的Halpin-Tsai方程相比于修正的混合定律能较好的预测规则纳米增强体的增强效应。有限元方法预测的力学性能结果与实验值最为接近,误差约为3.6%在,表明基于RVE模型的有限元方法能准确预测非规则几何形状纳米增强体的增强效应,对于研究微米/纳米多尺度复合材料的增强机理具有重要的指导意义。
摘要第4-7页
ABSTRACT第7-9页
第一章 绪论第18-36页
    1.1 环氧树脂基复合材料第18-21页
        1.1.1 环氧树脂简介第18-19页
        1.1.2 环氧树脂复合材料第19-21页
            1.1.2.1 纳米填料增强环氧树脂复合材料第19-20页
            1.1.2.2 纤维增强环氧树脂复合材料第20-21页
    1.2 碳纤维简介第21-26页
        1.2.1 碳纤维的制备方法及性能第21-24页
        1.2.2 碳纤维的表面结构与性能第24-25页
        1.2.3 碳纤维的应用情况第25页
        1.2.4 碳纤维环氧树脂基复合材料第25-26页
        1.2.5 碳纤维环氧树脂基复合材料的缠绕成型工艺第26页
    1.3 二氧化硅纳米粒子第26-27页
    1.4 碳纳米管第27-31页
        1.4.1 碳纳米管的结构与性能第27-28页
        1.4.2 碳纳米管制备方法第28-29页
        1.4.3 碳纳米管的改性方法第29页
        1.4.4 碳纳米管增强环氧树脂第29-30页
        1.4.5 官能化碳纳米管增强环氧树脂复合材料第30-31页
    1.5 复合材料力学性能的理论计算与模拟分析第31-34页
        1.5.1 传统理论分析第31页
            1.5.1.1 传统理论分析的经典公式第31页
            1.5.1.2 MWCNTs 增强纳米复合材料力学性能的传统理论分析第31页
        1.5.2 复合材料细观力学第31-34页
            1.5.2.1 细观力学 RVE 有限元分析第32-33页
            1.5.2.2 ANSYS 中分析方法在复合材料力学性能计算中的应用第33页
            1.5.2.3 MWCNTs 增强纳米复合材料中有限元 RVE 模型的应用第33-34页
    1.6 本文的研究内容及意义第34-36页
        1.6.1 本课题的内容第34-35页
        1.6.2 本课题的目的和意义第35-36页
第二章 实验部分第36-46页
    2.1 实验原料第36-38页
    2.2 实验仪器及设备第38-39页
    2.3 样品制备第39-42页
        2.3.1 碳纳米管的官能化第39-41页
            2.3.1.1 碳纳米管的羧基化第39页
            2.3.1.2 碳纳米管的环氧基化第39-40页
            2.3.1.3 碳纳米管的氨基化第40页
            2.3.1.4 二氧化硅纳米粒子/碳纳米管杂化纳米增强体的制备第40-41页
        2.3.2 官能化碳纳米管增强环氧树脂浇注体的制备第41页
        2.3.3 官能化碳纳米管增强碳纤维单向复合材料的制备第41-42页
        2.3.4 官能化碳纳米管增强碳纤维缠绕复合材料的制备第42页
    2.4 表征与测试第42-46页
        2.4.1 傅立叶红外测试(FTIR)第42-43页
        2.4.2 热失重分析表征(TGA)第43页
        2.4.3 X 射线光电子能谱表征(XPS)第43页
        2.4.4 扫描电子显微镜(SEM)第43页
        2.4.5 透射电子显微镜(TEM)第43页
        2.4.6 环氧树脂浇注体拉伸性能测试第43-44页
        2.4.7 环氧树脂浇注体弯曲性能测试第44页
        2.4.8 碳纤维单向复合材料的弯曲性能测试第44页
        2.4.9 碳纤维单向复合材料的层剪性能测试第44-45页
        2.4.10 碳纤维缠绕复合材料的压缩性能测试第45-46页
第三章 结果与讨论第46-74页
    3.1 二氧化硅纳米粒子/碳纳米管杂化纳米增强体(SiO_2-MWCNTs)的表征第46-52页
        3.1.1 傅里叶红外光谱分析(FTIR)第46-47页
        3.1.2 热失重分析(TGA)第47-48页
        3.1.3 X 射线光电子能谱(XPS)分析第48-50页
        3.1.4 微观形貌观察与分析第50-52页
    3.2 SiO_2-MWCNTs/环氧树脂复合材料的性能研究第52-56页
        3.2.1 杂化纳米增强体对于环氧树脂浇注体的力学性能测试的影响第52-54页
        3.2.2 环氧树脂浇注体的微观结构分析第54-56页
    3.3 SiO_2-MWCNTs/碳纤维/环氧树脂复合材料的性能研究第56-61页
        3.3.1 杂化纳米增强体对于碳纤维单向复合材料的力学性能的影响第56-58页
        3.3.2 碳纤维单向复合材料的微观形貌分析第58-60页
        3.3.3 杂化纳米增强体对于碳纤维缠绕复合材料筒体压缩性能的影响第60-61页
    3.4 SiO_2-MWCNTs 的界面化学反应及微观模型第61-64页
    3.5 复合材料力学性能的理论分析与研究第64-66页
        3.5.1 传统理论公式的修正及 MWCNTs 增强环氧树脂复合材料力学性能的计算与分析第64-65页
        3.5.2 MWCNTs/碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的计算与分析第65-66页
    3.6 MWCNTs 增强复合材料力学性能的有限元计算与分析第66-71页
        3.6.1 MWCNTs 增强环氧树脂复合材料的有限元 RVE 模型第66-67页
        3.6.2 SiO_2-MWCNTs 增强环氧树脂复合材料的有限元法 RVE 模型第67-70页
        3.6.3 SiO_2-MWCNTs 增强 CFRP 的有限元法 RVE 模型第70-71页
    3.7 SiO_2-MWCNTs 增强复合材料的预测结果与实验结果对比第71-74页
        3.7.1 SiO_2-MWCNTs /环氧树脂复合材料理论计算结果与实验结果对比第71-72页
        3.7.2 SiO_2-MWCNTs /环氧树脂复合材料的预测结果结果与实验结果对比分析第72页
        3.7.3 SiO2-MWCNTs /碳纤维/环氧树脂单向复合材料力学性能的预测结果与实验结果对比分析第72-74页
第四章 结论第74-76页
参考文献第76-82页
致谢第82-84页
研究成果及发表的学术论文第84-86页
作者简介第86-87页
导师简介第87-88页
附件第88-89页
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