碳纳米管/橡胶复合材料的制备方法及力学性能研究进展

由于具有质量轻、大长径比以及优异的力学性能和独特的导电性能等特点,碳纳米管(carbon nanotubes,简称CNTs)被认为是优异的纳米增强体.制备高性能CNTs/聚合物复合材料显著依赖于CNTs与聚合物基体之间的界面结合、CNTs在基体中的分散性和复合材料制备方法等.笔者首先概述了CNTs/橡胶纳米复合材料的制备方法,讨论了CNTs改善复合材料的界面效果及工作原理,其次分析了CNTs增强橡胶纳米复合材料力学和电学性能的机理,最后展望CNTs增强复合材料力学和电学性能的新途径.     

原位生长碳纳米管增强SiC_f/SiC复合材料的力学性能

碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiCf/SiC)是航空航天和聚变能源等高技术领域理想的高温结构材料,改善纤维与基体的界面结合是提高其力学性能的关键。本文采用化学气相沉积法在纤维表面原位生长碳纳米管,以达到改善纤维与基体的结合同时对复合材料进行二次增强的目的。结果表明,采用碳纳米管增强的SiCf/SiC复合材料的力学性能有不同程度的提高,特别是当碳纳米管的体积分数为5.31%时,复合材料的断裂韧性提高106.3%。纤维表面的碳纳米管层与纤维结合较弱,能够促进纤维的拔出,从而促进复合材料断裂韧性的提高;另外,碳纳米管的拔出对复合断裂韧性的提高也有一定的促进作用。     

原位生长碳纳米管增强SiCf/SiC复合材料的力学性能简

碳化硅纤维增强碳化硅复合材料（SiCf/SiC）是航空航天和聚变能源等高技术领域理想的高温结构材料,改善纤维与基体的界面结合是提高其力学性能的关键。本文采用化学气相沉积法在纤维表面原位生长碳纳米管,以达到改善纤维与基体的结合同时对复合材料进行二次增强的目的。结果表明,采用碳纳米管增强的SiCf/SiC复合材料的力学性能有不同程度的提高,特别是当碳纳米管的体积分数为5．31％时,复合材料的断裂韧性提高106．3％。纤维表面的碳纳米管层与纤维结合较弱,能够促进纤维的拔出,从而促进复合材料断裂韧性的提高;另外,碳纳米管的拔出对复合断裂韧性的提高也有一定的促进作用。     

热致性液晶共聚酯(60PHB/PET)和聚酰胺6(PA6)的原位复合增容的研究

在热致液晶性60PHB/PET共聚酯(LCP)与聚酰胺6(PA6)的共混体系中引入了增容剂;讨论了增容剂对PA6/LCP原位复合材料的微观结构和界面性能、结晶行为、流变行为,以及力学性能的影响。     

碳纳米管增强AZ91D复合材料微区应力场的有限元模拟

采用有限元方法仿真模拟碳纳米管(CNTs)增强AZ91D镁合金复合材料CNTs/AZ91D中碳管以及周围的微区应力场,并且对弹性条件下与弹塑性条件下镁合金基体等效应力场和碳纳米管等效应力分布进行对比.结果表明,CNTs/AZ91D复合材料在相同拉力下,整体轴向变形比未加CNTs的AZ91D复合材料轴向变形明显减小,应力集中现象仅出现在CNTs与AZ91D基体接触的两端面上,应力的最大值处于CNTs端口附近,镁基复合材料的强化主要来自增强体的强化作用.复合材料的破坏是从界面处开始,其破坏机制是界面脱开.     

生物医用聚乳酸纤维增强壳聚糖棒材

利用原位沉析法制备了聚乳酸纤维/壳聚糖复合棒材,对复合棒材的微观形貌、力学性能进行了表征.有机聚乳酸纤维和有机壳聚糖基体具有良好的相容性,纤维表面还会因氢键等作用和基体产生物理吸附及一定的分子链缠结,SEM结果表明,纤维与基体间形成了良好的界面作用.复合棒材因聚乳酸纤维的加入有效地提高了弯曲强度和模量.当添加8%(质量分数)11 mm长的纤维时,复合材料弯曲强度达到108.9 MPa,比壳聚糖提高了54.9%,复合棒材弯曲模量达到4.74 GPa,比壳聚糖提高了170.9%.聚乳酸纤维和壳聚糖均具有良好的生物相容性和可降解性,这种复合材料在可吸收内固定材料方面将具有广阔的用途.     

HAF/NR复合材料中填料/基体界面相互

采用含有吡啶官能团的分子对高耐磨炭黑粒子(HAF)原位接枝改性调控填料/基体界面相互作用.采用Ayala参数定量计算填料/基体界面相互作用,研究了界面相互作用对天然橡胶(NR)补强性能的影响.复合材料的拉伸应力-应变曲线表明,填充接枝炭黑的复合材料具有更高的力学性能,其原因是炭黑接枝增强了填料-基体界面相互作用,削弱了填料-填料相互作用.     

电泳沉积海藻酸钠/碳纳米管修饰高模碳纤维表面

采用纳米材料增加碳纤维（CF）的表面粗糙度及活性官能团,不仅可以改善CF增强复合材料的界面结合状态,而且不会对CF本体造成损伤,是一种极具发展潜力的新型CF表面改性手段。使用电泳沉积技术（EPD）将碳纳米管（CNTs）沉积在高模CF表面,然后与环氧树脂（EP）复合,制备了单向纤维增强层压板（CF/EP复合材料）。使用万能拉力机测试CF/EP复合材料的层间剪切强度（ILSS）,结果表明,在电压为6 V时制备的CF/EP复合材料的ILSS为58.9 MPa,与未经EPD处理的CF/EP复合材料（ILSS=52.2 MPa）相比提高了12.8%。同时,通过EPD制备了海藻酸钠与CNTs共沉积修饰的高模CF,海藻酸钠的加入增加了CNTs与CF表面的黏附性及氧含量,提高了纤维表面对树脂基体的浸润性。当CNTs的质量浓度为0.3 mg/mL、海藻酸钠的质量浓度为1 mg/mL、EPD电压为8 V时,所制备的CF/EP复合材料的ILSS可达68.3 MPa,与未经EPD处理的CF/EP复合材料相比提高了30.8%。     

电泳沉积海藻酸钠/碳纳米管修饰高模碳纤维表面

采用纳米材料增加碳纤维（CF）的表面粗糙度及活性官能团,不仅可以改善CF增强复合材料的界面结合状态,而且不会对CF本体造成损伤,是一种极具发展潜力的新型CF表面改性手段。使用电泳沉积技术（EPD）将碳纳米管（CNTs）沉积在高模CF表面,然后与环氧树脂（EP）复合,制备了单向纤维增强层压板（CF/EP复合材料）。使用万能拉力机测试CF/EP复合材料的层间剪切强度（ILSS）,结果表明,在电压为6 V时制备的CF/EP复合材料的ILSS为58.9 MPa,与未经EPD处理的CF/EP复合材料（ILSS=52.2 MPa）相比提高了12.8%。同时,通过EPD制备了海藻酸钠与CNTs共沉积修饰的高模CF,海藻酸钠的加入增加了CNTs与CF表面的黏附性及氧含量,提高了纤维表面对树脂基体的浸润性。当CNTs的质量浓度为0.3 mg/mL、海藻酸钠的质量浓度为1 mg/mL、EPD电压为8 V时,所制备的CF/EP复合材料的ILSS可达68.3 MPa,与未经EPD处理的CF/EP复合材料相比提高了30.8%。     

玻纤增强聚丙烯与尼龙66模内混合加工成型实验研究

为了解决纤维增强热塑性复合材料加工成型零件复杂程度与力学性能匹配的问题,提高不同热塑性基体纤维增强复合材料制件的力学强度,运用模内混合加工成型技术制备连续玻纤增强聚丙烯(PP)预制件与短玻纤增强尼龙66(PA66)平板实验件,采用单因素实验法研究熔体温度、预制件加热温度、模具温度和保压压力对实验件弯曲强度的影响规律。研究结果表明:界面温度和保压压力的提高有利于提高加工成型制件弯曲强度,其中预制件加热温度和熔体温度对制件弯曲强度影响最大,分别提高2.6倍和1.6倍,且呈线性增大关系;微观形貌显示混合界面出现PP与PA66树脂间融合共混区;模内混合加工成型工艺参数的优化提高了制件的力学性能,扩宽了轻量化材料的组合应用。     

PA66/PA66功能化碳纳米管复合材料的制备及性能研究

以酸化的碳纳米管为原料,通过原位聚合在其表面接枝PA66得到PA66功能化碳纳米管（NF-CNTs）,然后用溶液共混法将NF-CNTs与PA66混合制备了PA66/NF-CNTs复合材料,对比了碳纳米管功能化前后对于复合材料性能的影响.结果表明:NF-CNTs在复合材料中分散性更好;与PA66/CNTs复合材料相比,PA66/NF-CNTs复合材料的体积电阻率更低,渗滤阈值从4%下降为3%;当NF-CNTs的添加量为2%时,PA66/NF-CNTs复合材料的初始失重温度达到最大值390℃,与纯PA66以及PA66/CNTs复合材料相比,分别提升了38℃和13℃.      

CVI-RMI法制备C/SiC复合材料的微观结构与弯曲性能

以T700炭纤维准三维编织针刺整体毡为预制体,在炭纤维表面CVI预沉积热解炭涂层,利用化学气相渗透-反应熔体浸渗法(CVI-RMI)制备C/SiC复合材料,观察材料的微观形貌,并探讨界面对弯曲性能的影响。研究结果表明:利用CVI-RMI联合工艺制备的C/SiC复合材料致密度高,开孔率较小(10%),基体分布均匀;材料弯曲强度达133 MPa,呈逐层破坏机制,表现出良好的假塑性;热解炭涂层与CVI-SiC基体减少了RMI工艺过程对炭纤维的损伤,且热解炭涂层调节了炭纤维与基体之间的界面结合状况,有利于纤维的拔出。     

Mechanical properties and friction behaviors of CNT/AlSi<Subscript>10</Subscript>Mg composites produced by spark plasma sintering

The mechanical properties and friction behaviors of CNT/AlSi₁₀Mg composites produced by spark plasma sintering (SPS) were investigated. The results showed that the densities of the sintered composites gradually increased with increasing sintering temperature and that the highest microhardness and compressive strength were achieved in the specimen sintered at 450℃. CNTs dispersed uniformly in the AlSi₁₀Mg matrix when the addition of CNTs was less than 1.5wt%. However, when the addition of CNTs exceeded 1.5wt%, the aggregation of CNTs was clearly observed. Moreover, the mechanical properties (including the densities, compressive strength, and microhardness) of the composites changed with CNT content and reached a maximum value when the CNT content was 1.5wt%. Meanwhile, the minimum average friction coefficient and wear rate of the CNT/AlSi₁₀Mg composites were obtained with 1.0wt% CNTs.     

纳米碳管铝基复合材料组织与性能的研究

试验采用搅拌铸造法制备了纳米碳管增强铝基复合材料,对其显微组织、硬度、抗拉强度和电阻率进行了研究.结果表明：纳米碳管的加入能够细化复合材料晶粒,表面镀铜后可以抑制基体与增强体之间的界面反应,避免脆性碳化物的生成;复合材料的硬度和抗拉强度随着纳米碳管加入量的增加先增加后减小,纳米碳管的质量分数为1.0%时,达到最大值,与基体相比分别增加了34.8%和34.4%;纳米碳管的加入对基体的导电性影响不大.     

Microst ructure andflexural properties of carbon/ca rbon composite with in-situ grown carbon nanotube as secondary reinforcement

Carbon nanotubes (CNTs) were in-situ grown in carbon felts using ferric chloride as catalyst and natural gas as carbon precursor via thermal gradient chemical vapor infiltration (TGCVI). Subsequently, the carbon felts were densified to obtain CNT reinforced carbon/carbon (C/C) composites in the same furnace. Effects of CNTs on the microstructure and flexural property of C/C composites were investigated by polarized light microscopy, Raman spectroscopy, scanning electron microscopy and universal mechanical testing machine. The results of PLM observation and Raman analysis showed that CNTs have two-sided effects on the microstructure of pyrocarbon: the pyrocarbons in the region without CNTs show medium texture; while, in the region full of CNTs, the microstructure was low-textured or even isotropic though the TGCVD conditions would lead to the deposition of pure low texture pyrocarbons. Analysis based on stress-strain curves demonstrated that the flexural strength increased first and then decreased with the CNT content increasing. When the CNT content was 5.23 wt%, the flexural strength was maximum and had a nearly 35% improvement compared with pure C/C composite. Besides, after adding CNTs, the flexural modulus of the composites decreased and the ductility increased obviously, indicating CNTs can toughen C/C composites.     

微纳层叠共挤碳纳米管填充高抗冲聚苯乙烯/高抗冲聚苯乙烯(CNTs+HIPS/HIPS)交替层状复合材料的介电性能

利用自制的微纳层叠共挤出装置制备了2、8、32、128层的碳纳米管填充高抗冲聚苯乙烯/高抗冲聚苯乙烯（CNTs+HIPS/HIPS）交替层状复合材料,复合材料体系中CNTs+HIPS层碳纳米管的质量分数分为6%、10%两种,微层理论厚度分别为1 mm、250 μm、62.5 μm、15.6 μm。采用数码电子显微镜对复合材料的微层界面进行了分析,并测试了复合材料的导电和介电性能。结果表明：微层实际厚度与理论厚度较为一致;CNTs+HIPS/HIPS交替层状复合材料在挤出方向与厚度方向上的电阻率呈现了明显的各向异性,挤出方向上表现为高导电的特性,而厚度方向上表现为绝缘的特性;层间界面数量的增多增强了界面极化效应,极大地提高了复合材料的介电常数,且表现出较好的频率独立性,同时在低频（<10⁴ Hz）下保持了低介电损耗。     

Mechanical properties and friction behaviors of CNT/AlSi10Mg composites produced by spark plasma sintering

The mechanical properties and friction behaviors of CNT/AlSi10Mg composites produced by spark plasma sintering (SPS) were investigated.The results showed that the densities of the sintered composites gradually increased with increasing sintering temperature and that the highest microhardness and compressive strength were achieved in the specimen sintered at 450℃.CNTs dispersed uniformly in the AlSi10Mg matrix when the addition of CNTs was less than 1.5wt％.However,when the addition of CNTs exceeded 1.5wt％,the aggregation of CNTs was clearly observed.Moreover,the mechanical properties (including the densities,compressive strength,and microhardness) of the composites changed with CNT content and reached a maximum value when the CNT content was 1.5wt％.Meanwhile,the minimum average friction coefficient and wear rate of the CNT/AlSi10Mg composites were obtained with 1.0wt％ CNTs.     

碳纳米管／废胶粉复合材料的实验研究

通过机械混合方法将碳纳米管与废胶粉制备复合材料。结果表明：随着搅拌时间的变化,阻尼性能在搅拌10min时,出现一个最大值;复合材料内部出现了碳纳米管的富集区域和碳纳米管较少的区域,搅拌10min时界面结合相对较好;随着碳纳米管质量的增加,废胶粉复合材料的阻尼性能逐渐减小,拉伸强度则呈现和阻尼性能相抵触的规律。     

侧链型液晶聚合物接枝碳纳米管的制备及性能研究

合成了一种侧链型液晶单体4-(4’-烯丙氧基)苯甲酰氧基联苯单酯,将不同含量的CNT接枝到侧链液晶单体上,然后液晶单体发生聚合反应生成液晶复合材料.采用偏光显微镜(POM)、扫描电子显微镜(SEM)、差示扫描量热仪(DSC)等考察了碳纳米管的分散排列情况以及复合材料的热性能,测试结果显示,少量的碳纳米管能够较好地分散在复合材料基体中;DSC结果显示,CNT的引入提高了复合材料的清亮点,增加了液晶区间.