環(huán)氧樹脂網(wǎng)(seethedealer.net)最新報道[此消息來源于網(wǎng)絡(luò)]。

作者：呂文晏1，2程俊華2，3聞荻江3(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)材料增強環(huán)氧樹脂復(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，改性方法對復(fù)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(xué)性能的影響。討論了表面化學(xué)修飾碳質(zhì)材料、改進共混技術(shù)以及材料微觀結(jié)構(gòu)對復(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，對碳質(zhì)材料進行表面化學(xué)修飾或改進共混技術(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)氧樹脂復(fù)合材料，力學(xué)性能，增強機理，表面改性 

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高性能環(huán)氧樹脂復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合結(jié)構(gòu)是影響環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)等性能的主要因素；對碳質(zhì)材料進行表面化學(xué)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(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。本文綜述了對炭黑、碳纖維、碳納米管的改性方法和增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)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(jié)構(gòu)[2]，可與環(huán)氧樹脂(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，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(jié)構(gòu)；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(jié)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(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。 

KrishnaCEtika等[5]研究了CB和黏土對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，復(fù)合材料的儲存模量分別提高了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、高模，已成為復(fù)合材料中不可缺少的增強材料，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增強環(huán)氧樹脂，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(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)性能和動態(tài)力學(xué)性能的變化。實驗表明，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(fù)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(fù)合材料的力學(xué)性能的總體趨勢相似，在纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%時，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，SCF增強復(fù)合材料的各項力學(xué)性能均優(yōu)于SGF增強的。當(dāng)SCF的質(zhì)量分?jǐn)?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(dāng)SGF的質(zhì)量分?jǐn)?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(fù)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(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)對材料起到穩(wěn)定作用和潤滑作用，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(jié)構(gòu)，能通過體積變化來實現(xiàn)其彈性，故能承受40%的張力應(yīng)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(xué)性能，近十年來人們對CNTs/EP復(fù)合材料做了大量的研究，顯示出CNTs對改變和提高EP力學(xué)性能，特別對開發(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EP復(fù)合材料力學(xué)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(dāng)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(fù)合材料的增強。

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