環(huán)氧樹(shù)脂網(wǎng)(mcguy.net)最新報(bào)道[此消息來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)]。

作者：呂文晏1，2程俊華2，3聞?shì)督?(1.常州大學(xué)，常州213164；2.鹽城工學(xué)院，鹽城224001；3.蘇州大學(xué)，蘇州215012)

綜述了炭黑、碳纖維、碳納米管等碳質(zhì)材料增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的力學(xué)性能特征、論述了碳質(zhì)材料的類型、用量，改性方法對(duì)復(fù)合材料抗張強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、抗沖擊強(qiáng)度以及韌性等力學(xué)性能的影響。討論了表面化學(xué)修飾碳質(zhì)材料、改進(jìn)共混技術(shù)以及材料微觀結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，碳質(zhì)材料的分散性是影響復(fù)合材料力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的主要因素，對(duì)碳質(zhì)材料進(jìn)行表面化學(xué)修飾或改進(jìn)共混技術(shù)是提高碳粒分散性和復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的有效途徑。 

    關(guān)鍵詞：碳質(zhì)材料，環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，力學(xué)性能，增強(qiáng)機(jī)理，表面改性 

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高性能環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的研究和開(kāi)發(fā)受到越來(lái)越多的重視[1]，利用碳質(zhì)材料增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的研究取得了重要進(jìn)展。研究最多且增強(qiáng)效果比較明顯的碳質(zhì)材料是炭黑(CB)、碳纖維(CF)和碳納米管(CNTs)，它們能顯著改善環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的機(jī)械性能，尤其是明顯地提高其韌性，甚至碳質(zhì)材料已成為開(kāi)發(fā)多功能、高性能復(fù)合材料的重要組成之一。同時(shí)，碳質(zhì)材料的類型、用量，改性方法以及復(fù)合結(jié)構(gòu)是影響環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料力學(xué)等性能的主要因素；對(duì)碳質(zhì)材料進(jìn)行表面化學(xué)修飾，使其表面帶上一定的官能團(tuán)，以及改進(jìn)傳統(tǒng)機(jī)械共混工藝等技術(shù)路線是提高碳粒分散性和復(fù)合材料力學(xué)性能的有效途徑。本文綜述了對(duì)炭黑、碳纖維、碳納米管的改性方法和增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料力學(xué)性能的研究進(jìn)展。 

    1·不同碳質(zhì)材料的增強(qiáng)效果 

    1.1炭黑 

炭黑(CB)作為一種納米尺度的顆粒，具有巨大的表面積和表面能，以及不規(guī)則的表面枝鏈狀結(jié)構(gòu)[2]，可與環(huán)氧樹(shù)脂(EP)形成良好的粘結(jié)界面。焦劍[3]等用填充混合法，添加不同量的納米CB，制備CB/EP復(fù)合材料。加入CB后，材料的力學(xué)性能和耐熱性均有提高，在加入2%CB時(shí)，材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均達(dá)到極大值，分別為82MPa、3%、20kJ/m2、107MPa，相比純EP的分別提高了32·3%，39·6%，88·7%，10·3%。X-射線衍射、透射電鏡(TEM)研究表明，CB在EP中主要以炭黑粒子以及聚集體的形態(tài)均勻分散，并可能與EP固化時(shí)形成剝離結(jié)構(gòu)；掃描電鏡(SEM)對(duì)CB/EP拉伸斷口的觀察表明，CB通過(guò)偶聯(lián)劑，與EP形成良好的粘結(jié)界面。 

理論研究表明碳納米管(CNTs)具有極高的強(qiáng)度和韌性，抗拉強(qiáng)度為鋼的100倍，碳纖維的近20倍，而密度僅為鋼的1/6~1/7，并具有很好的柔韌性。

井新利等[4]研究了CB/EP的力學(xué)性能和微波介電性能。將導(dǎo)電性能良好的乙炔炭黑在100℃攪拌加入EP中，結(jié)果表明填充量≤3質(zhì)量份的乙炔炭黑，明顯提高了該復(fù)合材料的介電系數(shù)和介電損耗，而彎曲強(qiáng)度略有下降；隨著CB質(zhì)量份的提高，材料力學(xué)性能呈逐步下降的趨勢(shì)。 

KrishnaCEtika等[5]研究了CB和黏土對(duì)EP復(fù)合材料電性能和力學(xué)性能的影響。用等量CB和黏土，填充量分別為2·5%(wt，下同)時(shí)，復(fù)合材料的儲(chǔ)存模量分別提高了36%、40%，但是損害了材料的導(dǎo)電性；當(dāng)CB和黏土按2∶1的比例添加，材料的導(dǎo)電性和儲(chǔ)存模量都得到改善，認(rèn)為CB和黏土存在協(xié)同作用，而且影響CB在EP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的分散程度。 

    1.2碳纖維 

碳纖維(CF)輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模，已成為復(fù)合材料中不可缺少的增強(qiáng)材料，尤其在航空航天領(lǐng)域[6]。HungKai-Bing等[7]以表面涂裝改性后的CF增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂，獲得可控制界面的CF/EP復(fù)合材料。復(fù)合材料的橫向、縱向強(qiáng)度，層間抗剪強(qiáng)度分別提高了60%、54%、135%。電子顯微鏡、紅外光譜和接觸角的觀察表明，在這種經(jīng)過(guò)苯酚、苯二胺和丙烯酸單體表面涂裝改性的CF，表面引入了類似-OH、-NH2、-COOH等活性基團(tuán)，可改善CF在EP基體中的可濕性及界面粘附力。 

張杰等[8]以CF為增強(qiáng)材料，采用手糊成型螺栓加壓工藝制備了CF/EP復(fù)合材料，研究了材料的常溫和高溫力學(xué)性能，以及水煮后力學(xué)性能和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的變化。實(shí)驗(yàn)表明，制得的復(fù)合材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐高溫性能，其彎曲強(qiáng)度為1434MPa，拉伸強(qiáng)度為1972MPa，剪切強(qiáng)度為76·1MPa，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)超過(guò)210℃；并且在120℃時(shí)的彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度保持率都超過(guò)55%。對(duì)材料彎曲斷面的觀察表明，纖維分布均勻，樹(shù)脂對(duì)纖維浸潤(rùn)良好，具有很好的界面粘接性和較低的空隙率。 

    
谷和平等[9]比較了短切碳纖維(SCF)和無(wú)堿玻璃纖維(SGF)對(duì)TDE-85環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料性能的影響。研究表明：兩種短切纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的力學(xué)性能的總體趨勢(shì)相似，在纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%時(shí)，力學(xué)性能均有所下降；大于10%，力學(xué)性能有顯著的提高；低于20%時(shí)，SCF增強(qiáng)復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能均優(yōu)于SGF增強(qiáng)的。當(dāng)SCF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)了最大值78·48MPa，比純樹(shù)脂體系提高了23·2%；相比，當(dāng)SGF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)最大值76·32MPa，比純樹(shù)脂體系僅僅提高了19·79%；但無(wú)論是添加SCF還是SGF，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度都比純樹(shù)脂體系的低。

WangTianchi等[10]通過(guò)熱解海綿獲得網(wǎng)絡(luò)碳，然后向網(wǎng)絡(luò)碳注射EP，使EP充分包裹網(wǎng)絡(luò)碳并填充所有骨架間隙，擠壓成型得到互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。SEM觀察顯示：碳骨架與EP形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。認(rèn)為碳骨架與EP在原位緊密結(jié)合可制止軟性基體的扭曲變形，降低EP的熱損耗率，碳的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)材料起到穩(wěn)定作用和潤(rùn)滑作用，提高了復(fù)合材料的硬度，顯著降低磨損率。 

    1.3碳納米管 

    
理論研究表明碳納米管(CNTs)具有極高的強(qiáng)度和韌性，抗拉強(qiáng)度為鋼的100倍，碳纖維的近20倍，而密度僅為鋼的1/6~1/7，并具有很好的柔韌性。由于CNTs是中空的籠狀結(jié)構(gòu)，能通過(guò)體積變化來(lái)實(shí)現(xiàn)其彈性，故能承受40%的張力應(yīng)變，而不會(huì)呈現(xiàn)脆性行為、塑性變形或鍵斷裂?；贑NTs優(yōu)異的力學(xué)性能，近十年來(lái)人們對(duì)CNTs/EP復(fù)合材料做了大量的研究，顯示出CNTs對(duì)改變和提高EP力學(xué)性能，特別對(duì)開(kāi)發(fā)具有多功能的高性能復(fù)合材料起著十分重要的作用。張嬌霞等[11]將納米碳增強(qiáng)EP復(fù)合材料力學(xué)性能的機(jī)理概括為均勻分散的納米碳在EP基體中與環(huán)氧基團(tuán)形成遠(yuǎn)大于范德華力的作用力；而且，CNTs能吸收一定的形變功，起到阻礙微裂紋、吸收能量的作用。當(dāng)裂紋在EP中擴(kuò)展時(shí)，受到剛性納米粒子的阻礙和鈍化而停止，制止破壞性開(kāi)裂，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料的增強(qiáng)。

　　以上是《環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料力學(xué)性能研究進(jìn)展（一）》的詳細(xì)內(nèi)容。