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纳米材料/工业陶瓷 |
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碳纳米管-环氧复合材料研究加速 |
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| http://cn.newmaker.com
12/6/2007 1:45:00 PM
佳工机电网
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近年来作为材料领域的研究热点，碳纳米管受到各国科学家的高度重视，自从1991年Iijima教授宣布合成了碳纳米管以来，它就以其优异性能引起了人们深入地研究。环氧树脂由于具有优良的力学性能和物理性能，可作为涂料、胶粘剂、复合材料树脂基体、电子封装材料等。由于一般双酚A型环氧树脂固化后胶层较脆，对温度敏感性较高，相应地其力学性质和热学性质也较低。因此可用力学性能极高的碳纳米管材料增强是有现实意义的。碳纳米管—环氧复合材料研究得到国际业界重视并取得成效。碳纳米管有优良的电学性能，其导电性根据结构的不同而异，它可以是导体也可以是半导体，甚至可以作成仅次于超导体。碳纳米管有优良的力学性能，它的拉伸强度达到50～200GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6，其弹性模量最高达600GPa。
碳纳米管是富勒烯其结构与球烯和石墨类似，为sp2杂化的碳构成的曲晶面，最短的C-C键长为0.142 nm，长径比约为100～1000。若将它与其它有机高分子材料复合，可对基体起到强化作用。由于碳纳米管的这些特性，现已经广泛应用于超级电容器、锂离子电池场发射器、超级纤维，以及各类复合材料中。随着碳纳米管合成技术的日益成熟，工业化已成为可能，成本也能大幅度下降，探索和研究碳纳米管/聚合物基复合材料更具有实践意义。碳纳米管/环氧树脂复合材料的应用近年有很大发展。由于碳纳米管优良的物理化学特性，将它和环氧树脂复合增强环氧树脂的各项性能，可获得性能优良的碳纳米管/环氧树脂复合材料。这种材料并不是有机相与无机相的简单加和，而是由碳纳米管和环氧树月旨在纳米范围内结合形成，两相界面间存在着较强或较弱的化学健，它们的复合将实现集无机、有机、纳米粒子的诸多特异性能于一体的新材料。Puqlia D研究纳米碳管对环氧树脂反应性的影响，发现纳米碳管是一种强催化剂，使环氧树脂的反应温度降低。
RenY研究单壁碳纳米管增强环氧树脂基体的拉伸疲劳破坏，结果表明其疲劳曲线平坦，疲劳破坏强度是碳纤维环氧树脂复合材料的2倍，破坏断面呈塑性变形，采用碳纳米管可制备抗疲劳、高疲劳强度的复合材料。Soindler-Ranta Sean发现纳米碳管在环氧树脂中的分散状态，强烈依赖于分散方法。Ajayan的研究表明碳纳米管的柔韧性使得复合材料在破坏时，可以吸收能量而使环氧树脂的强度提高。Hsiao将碳纳米管分散在环氧树脂中，制备石墨纤维环氧树脂复合材料，结果表明随着碳纳米管含量增加，复合材料的粘结性增强。Butzloff，Peter采用有机蒙脱土(MMT)与碳纳米管制备纳米复合材料，碳纳米管采用苯胺进行表面处理，可防止在基体中的团聚。Qiao YL采用碳纳米管增强环氧树脂/DDS基体，研究碳纳米管的含量、环氧树脂/固化剂比例、固化时间与温度、冷却速度等因素对该体系性能的影响。结果表明，碳纳米管使环氧树脂体系的各项性能大幅度提高。Allaoui A.采用柔韧性好的橡胶状弹性环氧树脂、碳纳米管制备纳米复合材料，研究碳纳米管对环氧树脂的导电性及应力一应变曲线的影响，结果表明，4%的碳纳米管可使环氧树脂的弹性模量与弯曲强度提高4倍，体积电阻率与表面电阻率降低。Penumadu采用低黏度环氧树脂与纯化碳纳米管制备纳米复合材料，研究其应力一应变行为，发现由于碳纳米管呈束状，环氧树脂的力学性能提高幅度不大。
可见必须使碳纳米管充分分散才会发挥作用。Tiano采用自由基聚合方法，在碳纳米管表面沉积聚甲基丙烯酸甲酯，制备环氧树脂纳米复合材料，研究结果表明，1%的纳米碳管可使环氧树脂的断裂强度提高11%，静态模量提高21%。以聚合物碳纳米管复合材料为基础，研究碳纳米管的力学性能及其强化机制也是这方面研究的重要内容。Schadler用拉伸和压缩实验研究了MWNTs-环氧树脂复合材料的力学性能，发现压缩时弹性模量高于拉伸时的弹性模量，表明在压缩条件下复合材料的载荷传递效力大于拉伸实验时的弹性模量。根据Raman光谱研究，在拉伸时只有MWNTs的外层对应力传递起到了作用，而在压缩条件下碳纳米管的内外层对应力传递都有贡献。Wagner等研究了聚合物复合膜中MWNTs在拉仲下的断裂行为，测得聚合物/碳纳米管界面的应力传递能力达到500MPa以上，至少比传统的碳纤维增强复合材料应力传递能力高出10倍。最近Lourie研究了环氧树脂中碳纳米管的应力传递行为，发现了环氧树脂中相邻碳纳米管的断裂簇，认为复合材料的应力传递和失效行为与复合材料的构成和界面的本性有着密切的关系。TEM分析发现当环氧树脂聚合物中相邻定向排列的碳纳米管随机断裂时，周围的应力将传递到附近的碳纳米管上，形成碳纳米管的断裂簇。
同时碳纳米管/环氧树脂界面可能存在相互化学作用。传统的复合材料应力集中概念和基体有效作用半径理论，必须作一定的修改，以适合碳纳米管聚合物复合材料。当然目前的研究中还存在一些问题，主要是关于聚合物碳纳米管的应力传递机制和失效机理还不是很清楚，需要在理论和实验上作进一步详细地研究；同时寻找合适的表面处理方法，使碳纳米管充分分散于环氧树脂基体中，以制备高性能的纳米复合材料也需努力。碳纳米管具有独特的物理力学性能，包括高强度、高模量，固有的柔韧性，使它成为具有优良性能的环氧树脂基体的理想增强材料。若将碳纳米管通过一定的表面处理，良好地分散于环氧树脂基体中，可使环氧树脂的力学性能、电学性能大幅度提高。因此碳纳米管/环氧树脂复合材料的研究将会有广阔的发展前景。
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| · | 佳工网友
于1/25/2008 12:02:00 PM评论说：
| | 我公司就有这个产品，经过北京清华大学和美国柏克莱学院实验检测抗裂纹传播能力提高30%、抗水平剪切能力提高12%、拉伸模量提高10%、抗弯曲拉伸能力提高50%、轴向挤压拉伸强度提高25%、抗冲击性能提高250%！碳素纳米管作为复合材料的增强体，无论是强度还是韧性，将会带来复合材料性能的一次飞跃。
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