環(huán)氧樹脂網(wǎng)(www.www.szysjc.com)最新報道[此消息來源于網(wǎng)絡]。

作者：呂文晏1，2程俊華2，3聞荻江3(1.常州大學，常州213164；2.鹽城工學院，鹽城224001；3.蘇州大學，蘇州215012)

綜述了炭黑、碳纖維、碳納米管等碳質(zhì)材料增強環(huán)氧樹脂復合材料的力學性能特征、論述了碳質(zhì)材料的類型、用量，改性方法對復合材料抗張強度、抗拉強度、斷裂伸長率、抗沖擊強度以及韌性等力學性能的影響。討論了表面化學修飾碳質(zhì)材料、改進共混技術以及材料微觀結構對復合材料力學性能的影響，碳質(zhì)材料的分散性是影響復合材料力學性能和微觀結構的主要因素，對碳質(zhì)材料進行表面化學修飾或改進共混技術是提高碳粒分散性和復合材料微觀結構和力學性能的有效途徑。 

    關鍵詞：碳質(zhì)材料，環(huán)氧樹脂復合材料，力學性能，增強機理，表面改性 

隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，高性能環(huán)氧樹脂復合材料的研究和開發(fā)受到越來越多的重視[1]，利用碳質(zhì)材料增強環(huán)氧樹脂復合材料的研究取得了重要進展。研究最多且增強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)氧樹脂復合材料的機械性能，尤其是明顯地提高其韌性，甚至碳質(zhì)材料已成為開發(fā)多功能、高性能復合材料的重要組成之一。同時，碳質(zhì)材料的類型、用量，改性方法以及復合結構是影響環(huán)氧樹脂復合材料力學等性能的主要因素；對碳質(zhì)材料進行表面化學修飾，使其表面帶上一定的官能團，以及改進傳統(tǒng)機械共混工藝等技術路線是提高碳粒分散性和復合材料力學性能的有效途徑。本文綜述了對炭黑、碳纖維、碳納米管的改性方法和增強環(huán)氧樹脂復合材料力學性能的研究進展。 

    1·不同碳質(zhì)材料的增強效果 

    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)則的表面枝鏈狀結構[2]，可與環(huán)氧樹脂(EP)形成良好的粘結界面。焦劍[3]等用填充混合法，添加不同量的納米CB，制備CB/EP復合材料。加入CB后，材料的力學性能和耐熱性均有提高，在加入2%CB時，材料的拉伸強度、斷裂伸長率、沖擊強度和彎曲強度均達到極大值，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固化時形成剝離結構；掃描電鏡(SEM)對CB/EP拉伸斷口的觀察表明，CB通過偶聯(lián)劑，與EP形成良好的粘結界面。 

理論研究表明碳納米管(CNTs)具有極高的強度和韌性，抗拉強度為鋼的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的力學性能和微波介電性能。將導電性能良好的乙炔炭黑在100℃攪拌加入EP中，結果表明填充量≤3質(zhì)量份的乙炔炭黑，明顯提高了該復合材料的介電系數(shù)和介電損耗，而彎曲強度略有下降；隨著CB質(zhì)量份的提高，材料力學性能呈逐步下降的趨勢。 

KrishnaCEtika等[5]研究了CB和黏土對EP復合材料電性能和力學性能的影響。用等量CB和黏土，填充量分別為2·5%(wt，下同)時，復合材料的儲存模量分別提高了36%、40%，但是損害了材料的導電性；當CB和黏土按2∶1的比例添加，材料的導電性和儲存模量都得到改善，認為CB和黏土存在協(xié)同作用，而且影響CB在EP網(wǎng)絡結構中的分散程度。 

    1.2碳纖維 

碳纖維(CF)輕質(zhì)、高強、高模，已成為復合材料中不可缺少的增強材料，尤其在航空航天領域[6]。HungKai-Bing等[7]以表面涂裝改性后的CF增強環(huán)氧樹脂，獲得可控制界面的CF/EP復合材料。復合材料的橫向、縱向強度，層間抗剪強度分別提高了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，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為增強材料，采用手糊成型螺栓加壓工藝制備了CF/EP復合材料，研究了材料的常溫和高溫力學性能，以及水煮后力學性能和動態(tài)力學性能的變化。實驗表明，制得的復合材料具有優(yōu)良的力學性能和耐高溫性能，其彎曲強度為1434MPa，拉伸強度為1972MPa，剪切強度為76·1MPa，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)超過210℃；并且在120℃時的彎曲強度和剪切強度保持率都超過55%。對材料彎曲斷面的觀察表明，纖維分布均勻，樹脂對纖維浸潤良好，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)和無堿玻璃纖維(SGF)對TDE-85環(huán)氧樹脂復合材料性能的影響。研究表明：兩種短切纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的力學性能的總體趨勢相似，在纖維質(zhì)量分數(shù)小于10%時，力學性能均有所下降；大于10%，力學性能有顯著的提高；低于20%時，SCF增強復合材料的各項力學性能均優(yōu)于SGF增強的。當SCF的質(zhì)量分數(shù)為20%時，拉伸強度出現(xiàn)了最大值78·48MPa，比純樹脂體系提高了23·2%；相比，當SGF的質(zhì)量分數(shù)為30%時，拉伸強度出現(xiàn)最大值76·32MPa，比純樹脂體系僅僅提高了19·79%；但無論是添加SCF還是SGF，復合材料的彎曲強度都比純樹脂體系的低。

WangTianchi等[10]通過熱解海綿獲得網(wǎng)絡碳，然后向網(wǎng)絡碳注射EP，使EP充分包裹網(wǎng)絡碳并填充所有骨架間隙，擠壓成型得到互穿網(wǎng)絡結構的復合材料。SEM觀察顯示：碳骨架與EP形成互穿網(wǎng)絡結構。認為碳骨架與EP在原位緊密結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)絡結構對材料起到穩(wěn)定作用和潤滑作用，提高了復合材料的硬度，顯著降低磨損率。 

    1.3碳納米管 

    
理論研究表明碳納米管(CNTs)具有極高的強度和韌性，抗拉強度為鋼的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是中空的籠狀結構，能通過體積變化來實現(xiàn)其彈性，故能承受40%的張力應變，而不會呈現(xiàn)脆性行為、塑性變形或鍵斷裂?；贑NTs優(yōu)異的力學性能，近十年來人們對CNTs/EP復合材料做了大量的研究，顯示出CNTs對改變和提高EP力學性能，特別對開發(fā)具有多功能的高性能復合材料起著十分重要的作用。張嬌霞等[11]將納米碳增強EP復合材料力學性能的機理概括為均勻分散的納米碳在EP基體中與環(huán)氧基團形成遠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。當裂紋在EP中擴展時，受到剛性納米粒子的阻礙和鈍化而停止，制止破壞性開裂，實現(xiàn)了對復合材料的增強。

　　以上是《環(huán)氧樹脂復合材料力學性能研究進展（一）》的詳細內(nèi)容。