碳纳米管膜层间增强增刚碳纤维复合材料的压缩强度和导热性能研究
当前结构功能一体化成为了先进碳纤维复合材料的必然发展趋势，然而碳纤维复合材料层合板由于压缩载荷下层间富树脂区域对碳纤维的横向支撑作用弱以及容易发生分层破坏，使得复合材料层合板纵向压缩强度低。此外树脂的低导热率以及层间富树脂区域的界面相容性差，导致复合材料的面内导热性能差。为此，本论文提出了基于碳纳米管膜作为层间载体的层间增强增刚方法，通过湿拉伸法和环氧化反应优化了碳纳米管膜的物理化学结构，制备了结构功能一体化碳纤维复合材料，研究了层间碳纳米管膜对复合材料纵向压缩强度的影响以及与压缩失效的关联机制，同时探究了其对复合材料面内导热性能的增强机理，实现了纵向压缩强度和面内导热性能同步增强。 (1)通过湿拉伸和环氧化反应优化碳纳米管膜(P-CNTF)的物理化学结构制备了取向碳纳米管膜(S-CNTF)、环氧化碳纳米管膜(E-CNTF)以及取向环氧化碳纳米管膜(S-E-CNTF),并基于热熔预浸法制备了碳纳米管/环氧树脂复合膜(P-CNT/epoxy film、S-CNT/epoxy film、E-CNT/epoxy film 以及 S-E-CNT/epoxy film)。相较于P-CNTF,S-CNTF和S-E-CNTF的取向程度显著提高，碳纳米管发生重排呈现基于大集束状态的定向排列;E-CNTF和S-E-CNTF的表面成功引入了环氧基团，表面化学活性提高;物理化学结构的优化也导致了 S-CNTF、E-CNTF和S-E-CNTF的拉伸强度和模量增加,管间应力传递效率改善，相较于P-CNTF,S-CNTF、E-CNTF和S-E-CNTF的拉伸强度由26.8±2.1 MPa分别提高到了 81.2±3.2 MPa、64.3±1.3 MPa 和 116.2±2.7 MPa,而拉伸模量分别由 0.33±0.04 Gpa分别提高到了 3.13±0.42 GPa、1.13±0.31 GPa 以及 6.32±0.75 GPa。此外，相较于 P-CNT/epoxy film,S-CNT/epoxy film、E-CNT/epoxy film 以及 S-E-CNT/epoxy film 的模量分别提高了 1.9 倍、1.2倍和3.3倍，其中，S-E-CNT/epoxy film的刚度最高。 (2)分别以 P-CNTF、S-CNTF、E-CNTF 和 S-E-CNTF 作为层间载体制备了层间增强增刚碳纤维复合材料(CFRP/P-CNTF、CFRP/S-CNTF、CFRP/E-CNTF 以及 CFRP/S-E-CNTF)。相较于CFRP 复合材料，CFRP/P-CNTF、CFRP/S-CNTF、CFRP/E-CNTF 和CFRP/S-E-CNTF复合材料的面内剪切模量分别提高了 8.6％、21.2％、13.8％和28.3％,层间剪切强度分别提高了 5.3％、7.4％、22.1％和34.2％,表明复合材料抵抗剪切变形和层间裂纹扩展的能力得到加强;而模型预测表明，CFRP/P-CNTF、CFRP/S-CNTF、CFRP/E-CNTF和CFRP/S-E-CNTF复合材料的理论弹性压缩应力由857.5±59.6 MPa 分别提高到了 907.1±53.1 MPa、1012.6±36.5 MPa、978.3±46.9 MPa 和 1120.8±42.3 MPa,理论塑性压缩应力由 207.3±21.1 MPa 分别提高到了 237.5±29.1 MPa、241.0±19.5 MPa、256.7±26.2 MPa以及274.2±37.4 MPa,并且与实验测试结果吻合较好，由实验测得的纵向压缩强度分别提高了 5.5％、16.4％、21.7％和35.2％,表明增强的层间刚度以及层间界面结合抑制了扭结带失效和分层破坏。此外，对比于 CFRP 复合材料，CFRP/P-CNTF、CFRP/S-CNTF、CFRP/E-CNTF和CFRP/S-E-CNTF复合材料的面内导热系数由4.32±0.08 W/(m·K)分别提高到了 5.70±0.04 W/(m·K)、6.43±0.24 W/(m?K)、6.11±0.07 W/(m·K)以及 7.80±0.11 W/(m·K),表明碳纳米管膜在复合材料中构建了贯穿层间区域的三维导热网络结构，提高了热量的传输效率。
碳纤维复合材料层合板;层间增强增刚;碳纳米管膜;压缩强度;导热性能
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
李刚
2023
中文
TS653
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）