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环氧树脂碳纳米复合材料力电响应

环氧树脂碳纳米复合材料力电响应

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作者：季志鹏北京化工大学

学位级别：硕士

环氧树脂具有高强度、耐腐蚀、易成型等优点,可作为基体与碳纳米材料混合制备成碳纳米复合材料。碳纳米复合材料具备优异的力学强度和灵敏的力电响应,可以实时监测材料服役过程中的健康状态。由于碳材料之间较强的作用力以及分散工艺的... 详细信息

环氧树脂具有高强度、耐腐蚀、易成型等优点,可作为基体与碳纳米材料混合制备成碳纳米复合材料。碳纳米复合材料具备优异的力学强度和灵敏的力电响应,可以实时监测材料服役过程中的健康状态。由于碳材料之间较强的作用力以及分散工艺的限制,较差的分散性限制了碳纳米复合材料的性能进一步提升。基于此通过对碳纳米材料的分析筛选,对其分散工艺进行实验,探究碳纳米材料的种类、浓度、分散状态对复合材料的力学强度、电学性能、力电响应的影响。本文的基本工作和结论如下:（1）选取碳纳米管（CNTs）、炭黑（CB）、石墨烯（GR）三种碳纳米材料,将环氧树脂碳纳米材料混合液通过不同的机械分散工艺处理（机械搅拌MS、三辊研磨TRG、水浴超声WBU）,制备成碳纳米复合材料。探究碳纳米材料的种类、负载量、分散状态对复合材料的性能影响。研究结果表明,CNTs-TRG/EP复合材料具有高导电（7E-3 S/m）、高强度（87 MPa）、力电响应线性度高等优点,但微观结构显示出经TRG处理后的CNTs以小规模团聚存在于基体中,未完全分散的CNTs造成复合材料力电响应的重复性较差。（2）对CNTs分别进行了共价改性以及非共价改性处理,制备了不同CNTs负载量下的改性碳纳米复合材料。结果表明,共价改性后的CNTs的sp2结构遭到破坏,造成复合材料电导率大幅降低,影响了复合材料的力电响应。非共价改性后的CNTs有稳定的分散状态,特别是经1CMC下的Triton X-100处理后CNTs的有效分散率较原始CNTs提升65%。通过SEM可观察到CNTs团聚彻底消失,分散为单束形式。负载量为0.5wt%的CNTs-Triton/EP的力学强度较CNTs-TRG/EP提升24.5%,电导率提升22.1%,良好的CNTs分散效果同时改善了力电响应的重复性。非共价改性后的CNTs在基体中形成了均匀的导电网络,但导电网络连接点数量有限,受到应力后只能产生较低的电阻变化,影响了改性后的CNTs/EP力电响应灵敏度。（3）在CNTs中添加GR或CB材料,探究双组分碳纳米材料的“协同效应”对复合材料力电响应的影响。选用质量比1:1的CNTs-CB、CNTs-GR双组分碳纳米材料,添加Triton X-100进行非共价改性后制备双组分碳纳米复合材料。研究发现,0.5wt%的CNTs-CB/EP复合材料较纯EP拉伸强度提升29.6%,具有高强度高导电、力电响应线性度好、重复性强、灵敏度高（17-22）、检测模式多样等优点,双组分碳材料展现出明显的“协同作用”。综上,本文对环氧树脂碳纳米复合材料的力电响应进行了详细的研究,分析了碳纳米材料的种类、浓度、分散状态对材料的力电响应影响,研究结果对进一步设计高性能自监测复合材料具有指导意义。

关键词：碳纳米材料复合材料自监测 CNTs-CB协同效应力电响应

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