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《納米碳材料-環(huán)氧樹脂材料之性能研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。
1、納米碳材料/環(huán)氧樹脂材料之性能研究第一章緒論1.1引言隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，單一材料已經(jīng)不能滿足工業(yè)和生活的需要，由此人們研發(fā)出了適用于不同用途的復(fù)合材料。所謂復(fù)合材料（positematerials），是指由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀上組成具有特定新性能的材料[1]。由于新制備的復(fù)合材料可以在各種原單一材料的基礎(chǔ)上互相取長補短，使復(fù)合材料的綜合性能要優(yōu)于原單一材料，因此可以滿足各種不同的生產(chǎn)和生活上的要求[2]。納米復(fù)合材料是最近幾年材料學(xué)領(lǐng)域研究的熱門課題之一，目前隨著各種結(jié)構(gòu)的納米填料的出現(xiàn)，研發(fā)出了各種不同結(jié)構(gòu)的納米
2、復(fù)合材料。納米復(fù)合材料和傳統(tǒng)的復(fù)合材料具有不同的結(jié)構(gòu)。當(dāng)兩相（或多相）微觀結(jié)構(gòu)中至少有一相的一維尺度達(dá)到納米級（1-100nm)時，才能被稱為納米復(fù)合材料[3]。隨著填料逐漸由微米尺寸縮小到納米尺寸，比表面積逐漸增大，填料與聚合物基質(zhì)之間的界面面積明顯增大，進而提高了填料與聚合物基質(zhì)的相容性和界面作用力。從而更好的利用納米填料的剛性、熱穩(wěn)定性、導(dǎo)電性等來改善復(fù)合材料性能（如彈性、韌性、沖擊強度及抗靜電性等）。近年來科學(xué)家們一直致力于發(fā)展性能更好，應(yīng)用更廣泛的新型納米材料，而碳元素引起了世界各國研究人員的極大興趣。RobertCurl等人在1985年制備出
3、了富勒烯，1989年Huffman和Kraetschmer的實驗證實了C60的籠型結(jié)構(gòu)，1991年S.Iijina發(fā)現(xiàn)了具有獨特結(jié)構(gòu)的碳納米管。之后，三維的金剛石、二維的石墨烯、一維的碳納米管、零維的富勒烯組成了完整的碳系家族[4]。由于碳納米管和石墨烯的特有一維和二維納米結(jié)構(gòu)，可以用來作為復(fù)合材料的優(yōu)良填料，其性能研究一直以來是研究的熱點[5]。目前，隨著碳納米管和石墨烯產(chǎn)量、質(zhì)量的提高，以及價格越來越低，與聚合物基質(zhì)的復(fù)合已成為可能，具有重要的研究意義和市場應(yīng)用前景。1.2納米碳材料簡介納米碳材料從元素組成上來說都是相同的，它們只含有一種元素碳元素,
4、但由于組成結(jié)構(gòu)的不同，可分為石墨烯、碳納米管、富勒烯，如圖1.1。二維的石墨烯是由碳原子緊密堆積成的二維結(jié)構(gòu)，可以看作是一層被剝離的石墨片，被認(rèn)為是零維的富勒烯、一維的碳納米管和三維的金剛石的母體（圖1.1c）。石墨烯的結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。一維的碳納米管可以看成是由單層的石墨烯依照某種方式卷成的，其中的碳原子按照SP2雜化。碳納米管，又名巴基管，是由日本NEC公司基礎(chǔ)研究實驗室的電子顯微鏡專家飯島（Iijima[6]）在1991年實驗過程中意外發(fā)現(xiàn)的。其直徑一般在一到幾十個納米之間，長度則遠(yuǎn)大于其直徑，可達(dá)到微米級。在過去的十年里，由于具有特殊性質(zhì)和應(yīng)用
5、，碳納米管及其相關(guān)材料領(lǐng)域的研究非?；钴S，受到人們的廣泛關(guān)注。碳納米管具有高強度、高導(dǎo)電性、低質(zhì)量密度和大縱橫比（一般大于1000）的特點，并且據(jù)預(yù)測和一些實驗數(shù)據(jù)顯示具有非常高的拉伸模量。結(jié)構(gòu)上按照碳納米管層數(shù)的不同分為了單壁碳納米管和多壁碳納米管[7]，其結(jié)構(gòu)如圖1.3。眾所周知，碳納米管由于具有特殊的結(jié)構(gòu)（大縱橫比、π-π吸附）使其容易發(fā)生團聚，這也在很大程度上制約了碳納米管的應(yīng)用[8]。因此，目前關(guān)于碳納米管的研究有很大部分是關(guān)于其表面的修飾與官能化。第二章納米碳材料的制備及表面功能化2.1引言擁有極高比表面積（理論為2630m2&b
6、ull;g-1）的石墨烯和具有很大長徑比的碳納米管由于本身固有的高機械性能使其成為陶瓷和聚合物的理想增強體。有效地性能增強取決于兩個因素：（1）納米粒子與聚合物基質(zhì)界面之間的界面結(jié)合力的大?。唬?）納米填料在聚合物基質(zhì)中的分散性。界面結(jié)合越牢固、分散性越好，則納米填料能夠更好的增強復(fù)合材料，反之，則越小。但是，由于石墨烯和碳納米管的結(jié)構(gòu)特點，層與層之間易發(fā)生π-π吸附而不易分散在基質(zhì)材料中，從而使其在復(fù)合材料中難以分散均勻；而且由于表面惰性，使得它們與聚合物基質(zhì)之間的界面結(jié)合力很弱，其表面不能很好的與聚合物基質(zhì)進行有效的結(jié)合，在受力過程中容易
7、產(chǎn)生片與片之間的滑移，受到的載荷不能很好的轉(zhuǎn)移給填料，因此不能起到增強的作用。這使得它們在作為復(fù)合材料填料的應(yīng)用中受到很大的限制。因此，均勻分散和有效的界面應(yīng)力傳遞是石墨烯和碳納米管作為納米填料所面臨的最大挑戰(zhàn)。氧化石墨烯和酸化碳納米管由于表面具有大量的含氧基團，例如羥基、羰基、羧基等，這些含氧基團具有較高的活性，等夠與其它官能團發(fā)生反應(yīng)，從而對其表面進行改性與修飾。修飾改性之后的石墨烯和碳納米管作為聚合物基質(zhì)的填料能夠從根本上解決它們分散性差和界面結(jié)合力不強的弱點，從而起到提高復(fù)合材料性能的作用。在此，本章研究了氧化石墨烯的制備、碳納米管的酸化處理及它
8、們的表面修飾，對結(jié)果進行了表征與分析。2.2實驗部分采用一種改進的Hummer法
