关键词：
碳纳米管
碳纤维多尺度复合材料
定向取向
弯曲性能
层间剪切性能
Ⅰ型断裂韧性
导热性能
导电性能
摘要：
层合板是碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)最为广泛的应用形式。常见的层合碳纤维复合材料中各铺层之间缺少纤维增强,铺层间的载荷传递仅依靠基体承担。由于一般的热固性聚合物基体强度低、断裂韧性差,因此,CFRP复合材料的层间剪切强度和断裂韧性较低,从而制约了复合材料层合板面内力学性能优势的发挥,降低了碳纤维复合材料结构的减重优势。此外,碳纤维本身具有较好的热、电综合特性,CFRP层合板热、电性能的短板问题同样主要由层间导热、导电性能差的基体树脂引起。因此通过改善CFRP层合板的层间电、热性能是实现复合材料结构功能一体化的有效的途径之一。针对上述问题,本文采用碳纳米管层间增强的方法,构筑碳纳米管-碳纤维多尺度增强相,以期改善碳纤维增强聚合物层合复合材料的层间性能。本文从实现碳纳米管在碳纤维增强聚合物复合材料层间的定向取向及其对复合材料力学性能及热、电性能的影响规律和增强机制角度展开研究。具体研究了在树脂流动驱动下,碳纳米管在碳纤维间微流道中的迁移-取向过程;含碳纳米管环氧树脂膜制备技术;基于多层树脂膜熔融浸渍方法的沿层合板厚度方向取向碳纳米管—碳纤维多尺度复合材料制备技术及其微观结构;多尺度复合材料的弯曲性能、层间剪切性能以及层间断裂韧性以及多尺度复合材料厚度方向导热、导电性能。碳纳米管在碳纤维间微流道中迁移-取向的流固耦合模拟结果表明:碳纳米管在碳纤维间微中的迁移-取向主要是依靠纤维流道收窄时,碳纳米管受到的来自树脂流体动压力与粘滞阻力的合力矩引起的,流道变宽时碳纳米管取向程度下降。通过对成型压力及树脂粘度因素的研究发现,在实际工艺条件中树脂粘度与驱动压力条件下实现碳纳米管的迁移-取向是可行的,碳纳米管具有直、粗的形貌特征且长度适中时有利于提升其取向效果。研究了不同热熔反应性环氧树脂体系的固化性能、流变性能以及力学性能,结合树脂膜熔融浸渍工艺对环氧树脂体系的工艺性能的要求,优选出了热活性低、熔融粘度低、凝胶时间长、力学性能良好、成膜性能优异的环氧树脂体系3121。通过碳纳米管的结构形貌及其环氧纳米复合材料拉伸性能实验,优选了两种具有显著形貌差异的碳纳米管CNT与CNF。探索了碳纳米管/环氧共混树脂膜的制备方法。发现成膜温度为80℃,成膜时间为10 min,初始胶液中乙醇含量为4 wt.%时,树脂膜形貌完整无岛状、气孔状缺陷,工艺质量最好。设计了一种基于自密封和变形可控真空袋的多层树脂膜熔融浸渍-模压工艺,实现了控制树脂沿纤维预成型体厚度方向的浸渍以及纤维体积分数高、内部缺陷少的多尺度复合材料制备。通过控制真空辅助Z向浸渍的时间,可调控复合材料内部碳纳米管的取向;延长真空辅助的Z向浸渍时间,可以提高碳纳米管沿厚度方向的取向度。通过扫描电镜观察发现相较于CNF,CNT在复合材料层间具有更高的沿厚度方向取向度。采用多层树脂膜熔融浸渍-模压工艺制备了具有厚度方向取向的碳纳米管多尺度复合材料。随着真空辅助Z向浸渍的时间延长,多尺度复合材料弯曲模量逐渐上升,而弯曲强度出现先下降后上升的趋势。其中加入0.5 wt.%的CNT后复合材料弯曲强度和弯曲模量分别提升了10.8%与16.2%。通过对多尺度复合材料层间剪切性能的研究发现,加入碳纳米管后,多尺度单向复合材料与织物复合材料的层间剪切强度均获得不同程度的提升,当真空辅助Z向浸渍时间为10 min时,单向CNT多尺度复合材料的层间剪切强度提升了18.5%,织物复合材料层间剪切强度提升了12.0%。多尺度复合材料层间断裂韧性测试结果表明,CNF的加入对复合材料Ⅰ型断裂韧性没有带来增强效应。而加入CNT则显著提升了复合材料的Ⅰ型断裂韧性,其中CNT含量为0.3 wt.%时,复合材料Ⅰ型断裂韧性初始值提高了47.3%,稳定扩展值提高了50.0%,断裂韧性最大值提升了62.1%。碳纳米管对复合材料的层间增韧作用主要表现在对层间树脂基体的增韧、引发裂纹的分支化以及支裂纹跨层扩展引起的更多纤维桥连现象。通过对定向取向碳纳米管多尺度复合材料厚度方向导热性能的研究发现,随着碳纳米管取向程度提高,其对复合材料厚度方向热扩散系数与热导率提升均产生积极影响。加入0.5 wt.%的CNT后,复合材料热导率提升最为明显,其热导率较未采用真空辅助Z向浸渍的对照试样提升了52%。CNF的加入对复合材料热导率提升效果不明显,究其原因是CNF本征热导率低及其在层间的取向度较低。加入碳纳米管能有效提高复合材料厚度方向电导率。对比CNF,CNT的加入对复合材料厚度方向电导率的提升更加明显,这一方面是由于碳纳米管具有更高的本征电导率,另一方面,碳纳米管的在树脂流场下更易发生取向,形成贯穿层间树脂区域的导电网络。0.5 wt.%的CNT多尺度复合材料厚度方向电导率提升了40%,但是碳纳米管的加入对多尺度复合材料横向导电性的贡献是有限的。
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