納米碳纖維的表面處理及其聚合物復合材料的性能研究.pdf

1、納米碳纖維是通過裂解氣相碳氫化合物制備的一種非連續(xù)石墨纖維，是近年來興起的一種新型亞微米增強材料。準一維結構的納米碳纖維不僅具有氣相生長碳纖維所具有的特性，而且在結構、性能和應用等方面與碳納米管相似，其優(yōu)異的物理和化學性能是制備高性能聚合物基復合材料和功能復合材料的理想材料。但納米碳纖維間較強的相互作用導致其在聚合物基體中難于分散，限制了其應用。本文從納米碳纖維的表面處理出發(fā)，對納米碳纖維復合材料的力學性能、電學性能、電阻-應變特性及其

2、增強增韌機理和應變傳感機理等進行了較為系統(tǒng)的研究，主要獲得了以下幾個方面的研究成果： (1)采用濃硫酸/濃硝酸混合酸(體積比為3:1)處理、等離子處理及60Coγ-射線處理等三種方法對納米碳纖維進行了表面處理。研究結果表明，上述方法均能降低納米碳纖維纏結程度，減少殘留的催化劑顆粒和雜質，并在納米碳纖維表面引入了一定數量的羰基和羧基等官能團，從而改善納米碳纖維在環(huán)氧樹脂基體中的分散狀況及其與基體樹脂的界面結合狀況，在較大程度上提高

3、復合材料的斷裂韌性。其中，等離子處理效果最佳，當納米碳纖維含量為0.5wt％時，采用等離子處理制備的納米復合材料的斷裂韌性較純環(huán)氧樹脂提高44.6％，較未處理納米碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料提高25.3％。 (2)根據高韌性天然貝殼類材料微觀結構的啟示，采用有機蒙脫土和多壁碳納米管混雜對環(huán)氧樹脂進行增韌，發(fā)現有機蒙脫土和多壁碳納米管對環(huán)氧樹脂具有協同增韌和增強的作用。X-ray衍射和SEM研究結果表明多壁碳納米管和納米有機蒙脫土片層

4、在樹脂體系中能夠形成類似貝殼類材料平面互鎖結構的相互穿插結構。多壁碳納米管和納米有機蒙脫土協同增韌增強環(huán)氧樹脂的主要原因是微裂紋增韌、剪切屈服和纖維拔出。 (3)采用四引線法對納米碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的電性能進行了研究。研究表明，復合材料的電阻率隨納米碳纖維含量的增加呈幾何級數遞減，其滲濾區(qū)域在0.1％～0.2wt％之間；在0.2～1.2μA的電流范圍內，納米碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的電阻基本不受外加電流和電壓的影響，總體上

5、符合歐姆定律；且納米碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料在升溫和降溫過程中均呈現出PTC效應和NTC效應，并具有良好的回復穩(wěn)定性。 (4)采用四點彎曲法和循環(huán)拉伸法研究了納米碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的電阻-應變特性。發(fā)現納米碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料具有良好的靜態(tài)應變傳感特性，隨著纖維含量的增加，納米碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料傳感器的線性度上升，靈敏度下降；石墨的混雜改善了納米碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料傳感器的線性關系，同時降低了靈敏度；納米碳纖