環(huán)氧樹脂納米復合材料韌性和粘接性能的研究.pdf

1、環(huán)氧樹脂是一種典型的熱固性材料，具有良好的力學性能，在工業(yè)中得到了廣泛應用。特別的，碳纖維增強環(huán)氧樹脂(carbon fiberreinforcedepoxy，CF/EP)復合材料是航空工業(yè)中一種重要的結構材料。然而，未經(jīng)過改性的環(huán)氧樹脂韌性較差，導致 CF/EP復合材料容易發(fā)生層間開裂和纖維分層，是阻礙環(huán)氧樹脂應用和發(fā)展的關鍵。所以，提高環(huán)氧樹脂的本體韌性和 CF/EP復合材料的層間韌性是一直亟待解決的問題。近年來有很多工作采用添加納

2、米填料來改善上述性能，但發(fā)現(xiàn)雖然環(huán)氧樹脂的本體韌性可以被大幅提高，但該韌性難以在 CF/EP復合材料中得到充分發(fā)揮，層間韌性仍有待進一步提高。同時，環(huán)氧樹脂的廣泛應用還得益于其良好的粘接性能，但有關濕熱環(huán)境和疲勞載荷對環(huán)氧復合材料粘接性能影響的研究還不是很全面。針對以上問題，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)氧本體的同時對CF/EP復合材料進行層間增韌，并研究了濕熱環(huán)境和疲勞載荷對環(huán)氧樹脂復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)氧樹脂的本體韌性。石墨烯通過在700oC空氣中熱還原氧化石墨烯制得。在環(huán)氧樹脂基體中添加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%)的同時使熱膨脹系數(shù)降低~30%。本章針對環(huán)氧樹脂本體增韌的研究為下兩章CF/EP復合材料的層間增韌奠定了基礎。
　　生長碳納

4、米管(CNTs)的SCF(CNT-SCFs)有效提高了環(huán)氧樹脂基體的本體韌性向CF/EP層間韌性的轉移率，并極大的提高了CF/EP復合材料的層間韌性。首先通過火焰法在微米尺寸的 SCFs上生長納米尺寸的 CNTs，然后分別使用多級增韌體系CNT-SCFs和未生長CNT的SCFs層間增韌CF/EP復合材料。實驗結果對比表明，僅使用SCFs層間增韌CF/EP復合材料時，SCFs/環(huán)氧樹脂的本體韌性并不能得到有效發(fā)揮。當SCFs表面生長CNT

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

6、化的石墨烯/環(huán)氧樹脂復合材料置于CF/EP復合材料的中間層，發(fā)現(xiàn)在CF/EP復合材料中不僅石墨烯/環(huán)氧樹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)氧基體的界面強度，使GIC得到了顯著提升(140%)。同時將裂紋長度與在線同步測得的電阻/電流信號相聯(lián)系，建立了二者變化值之間的函數(shù)關系，實現(xiàn)了在線監(jiān)測裂紋在CF/EP復合材料中的擴展。
　　使用納米填料提高環(huán)氧樹脂的粘接強度，并完善了濕熱環(huán)境和疲勞載荷對環(huán)氧復合材料粘接

7、性能影響的研究。基于課題組對環(huán)氧樹脂納米復合材料本體各項機械性能的研究，對三種納米填料分別改性環(huán)氧樹脂的粘接強度進行了研究，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一步研究動態(tài)載荷以及濕熱環(huán)境對環(huán)氧樹脂復合材料粘接性能的影響。結果顯示經(jīng)過相同的濕熱環(huán)境處理后，添加了納米二氧化硅的環(huán)氧樹脂粘膠仍保持比純環(huán)氧樹脂更優(yōu)的粘接性能。在循環(huán)載荷下，當試件未經(jīng)過濕熱環(huán)境處理時，納米二氧化硅改性的環(huán)氧樹脂粘膠較純環(huán)氧的疲勞壽命更長；但