RTM成型碳纳米管玻纤混杂多尺度复合材料的电性能.pdf

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1、第3 0 卷 第1 期 2 0 1 3年 2月 沈 阳 航 空 航 天 大 学 学 报 J o u m ai o f S h e n y a ng Ae r o s pa c e Un i v e r s i t y VO1 3 0 No 1 F e b 2 0 1 3 ，+“+”+“+、t材料工程 十 k +文章编 号：2 0 9 51 2 4 8(2 0 1 3)0 1 0 0 6 1 0 5 R T M 成型碳纳米管 玻纤混 杂多尺度 复合材料 的电性能 王柏 臣 ，尹君 山 ，王 莉(1 沈阳航空航天大学 航空航天工程学部，沈阳 1 1 0 1 3 6；2 辽宁省高性能聚合物基复合材料

2、重点实验室，沈阳 1 1 0 1 3 6)摘要：采用树脂传递模塑(R e s i n T r a n s f e r Mo l d i n g，R T M)工艺制备碳纳米管(C a r b o n N a n o t u b e s，C NT s)玻璃纤维 环氧混杂多尺度复合材料，研究其结构与电性能的相关性。采用优化的分散工 艺将 C N T s 分散于环氧树脂中制成纳米复合树脂基体，经 R T M 工艺制备玻璃纤维 碳纳米管混杂 多尺度复合材料，考察 C N T s 形态结构变化和复合材料的导电行为。研究表明，R T M 复合材料的 电渗流阈值为 0 3 w t ，而使用非离子表面活性剂T

3、r i t o n X一1 0 0作为分散助剂的复合材料电渗流 阈值为 0 1 w t。当 C N T s 含 量为 0 3 w t 时，R T M 模具 入 口处复合材料 电阻率 比中间和出 口处 低 2个数量级。T E M分析表明，C NT s 动态渗流网络形成以及 C N T s 在复合材料内部的分布是导 致 R T M 复合材料电性能呈现梯度变化的原因。关键词：碳纳米管；混杂多尺度；渗流阈值；R T M；电性能 中图分类 号：T B 3 3 2 文献标志码：A d o i：1 0 3 9 6 9 j。i s s n 2 0 9 51 2 4 8 2 0 1 3 0 1 0 1 4 M

4、a n uf a c t ur i ng a n d e l e c t r i c a l h y br i d m u l t i-s c a l e pr o pe r t i e s o f CNTs g l a s s f a br i c c o mpo s i t e s v i a RTM W ANG Bo c h e n，YI N J u n-s ha n，W ANG Li (1 F a c u l t y o f A e r o s p a c e E n g i n e e r i n g，S h e n y ang A e r o s p a c e Un i v e

5、r s i t y，S h e n y ang 1 1 0 1 3 6；2 Ke y L a b o r a t o r y o f H i g h P e r-f o r ma n c e P o l y me r Ma t r i x C o mp o s i t e s，S h e n y ang 1 1 0 1 3 6)A b s t r a c t：C a r b o n Na n o t u b e s(C NT s)g l a s s f a b ri c h y b ri d mu l t i s c a l e c o mp o s i t e s wa s f a b ri

6、 c a t e d v i a R e s i n T r a n s f e r Mo l d i n g(R T M)t e c h n i q u e t o e x p l o r e t h e r e l a t i o n s h i p o f i t s s t r u c t u r e a n d e l e c t r i c a l p r o p e r t i e s C NT s wa s d i s p e r s e d i n e p o x y r e s i n t o g a i n a n a n o c o mp os i t e ma t r

7、ix u s e d f o r RTM p r o c e s s The r e s u l t i n g h yb rid mu l t i s c a l e c o mp o s i t e s we r e s t ud i e d wi t h r e s p e c t t o t h e s t r u c t u r a l c h a n g e s a n d e l e c t r i c a l p r o p e rti e s Th e r e-s e arc h s h ows t h a t the h y b rid c o mpo s i t e s

8、wi t h a n d wi th o u t s u r f a c t an t，Trit o n X一 1 00，b e a r the p e r c o l a t i o n t h r e s ho l ds o f 01 wt a nd 0 3 wt r e s p e c t i ve l y At CNTs c o n t e n t o f 0 3 wt ，t h e s p e c i me n s t a k e n f r o m the i nl e t ga t e r e g i o n o f the RTM e q u i p me n t s ho w

9、 a d e c r e a s e o f e l e c t r i c a l v o l u me r e s i s t i v i t y b y t wo ma g n i t u d e s c o mpare d wi th tho s e of the s a mp l e s t ak e n f r o m t h e mi d dl e a nd o u t l e t g a t e r e g i o nTh e a n a l ys i s o f T r a n s mi s s i o n E l e c t r o n Mi c r o s c o p y

10、(T E M)i n d i c a t e s t h a t t h e v a ria t i o n i n t h e n e t wo r k s t r u c t u r e o f the C NT s w i t h i n the n a n o c o mp o s i t e ma t r i x d u ri n g t h e i n j e c t i o n mo l d i n g p r o c e s s i s r e s p o n s i b l e for t h e g r a d i e n t i n r e s i s t i vi t

11、y o f t he RTM e d 1 a mi n a t e s Ke y w o r d s：c ar b o n n a n o t u b e s；h y b ri d mu l t i s c a l e；p e r c o l a t i o n t h r e s h o l d；r e s i n t r a n s f e r mo l d i n g(R T M)；e l e c t ric a l p r o p e r t i e s 收稿 日期：基金项 目：作者简介：2 01 2 一l 0 2 O 国家 自然科学基金(项 目编号：5 0 7 0 3 0 2 4)；

12、辽宁省高等学校优秀人才支持计划(项 目编号：2 0 0 8 R C3 9)；航空科学基金(项 目编号：2 0 l 0 z F 5 4 0 1 7)王柏臣(1 9 7 3一)，男，黑龙江哈尔滨人，副教授，主要研究方向：聚合物基复合材料研究，Ema i l：wa n g _ b a i c h e n 1 2 6 t o m。6 2 沈 阳 航 空 航 天 大 学 学 报 第3 0卷 碳纳米管(C NT s)可 以看成是石墨片层沿着 同一 中心轴旋转形成的一维管状结构，以这种特 殊结构的纳米材料作为增强体掺杂到高分子 中，制得 的纳米复合材料具有优异 的力学性能、电性 能和热性能 J。当前，低成本

13、、高性能正成为复 合材料研究领域中令人瞩 目的发展方向，C N T s 的发现为开发这类复合材料提供了新 的选择。由 于长径 比大且极性强，C N T s 容易相互缠绕团聚，很难在聚合物基体中均匀分散，因而不能发挥应 有的潜力。将 C NT s 均匀分散在基体中以降低导 电复合材料的电渗流阈值已经成为国内外研究的 重点 一 。研究人员 已经采用多种分散工艺，例 如表面化学修饰、分散剂分散、超声分散、机械分 散、溶剂分 散等等 来探 索复合材料 组成、工 艺、结构和性 能的相互关系。E l i s a b e t e等 叫发现 复合材料内部电导率呈梯度变化，这种非线性变 化与碳纳米管 的分散、分

14、 布和 R T M 工艺参数有 很大 的关 系。本文把 C N T s的优异性 能与 R T M 的低成本特性相结合，通过优化 C N T s的分散工 艺制得 纳米 复合树脂基 体，利用树脂 传递模 塑(R T M)工艺成型 C N T s 玻纤混杂多尺度复合材 料，考察 了分散剂 T r i t o n X一 1 0 0对 于混杂多尺度 复合材料结构和性能的影响。1 实验 1 1 原材料 本实验使用 的环氧树脂 为 T D E 8 5和 E 5 1按 1 0：3比例混合。T DE 8 5：天津津东 化工厂生产；E 5 1：岳阳化工厂生产；固化剂 2一乙基 一 4一甲基 咪唑：上海晶纯试剂有限

15、公司生产；多壁碳纳米 管：中国科学 院成都有机化学有限公 司生产；丙 酮：天津市富宇精细化工有限公司生产；非离子表 面活性剂 T ri t o n X 一 1 0 0：北京化学试剂公司生产；无碱无捻玻璃纤维布(Gl a s s F a b ri c)：泰 山玻璃纤 维有限公司生产。1 2 多尺度复合材料的制备 称 取 不 同 含 量 的C N T s(0 0 2 5 w t、0 0 7 5wt 、01 wt 、0 3 wt 、0 5wt ，0 7wt ，1 w t)倒入一定量丙酮 中，再加入与 C N T s 质量 相等的 T r i t o n X 1 0 0，选用 1 0 0瓦超声功率预分

16、散 1 5分钟后，加入混合均匀的环氧树脂，恒温 6 0 搅拌 2小时除去丙酮，将 C N T s 环氧体 系超声分 散 1 5分 钟，加 入 固化 剂(环 氧 树 脂 总质 量 的 3 w t)搅拌均匀后，抽真空脱气 2小 时，最后采 用 R T M 成型工艺制备混杂多尺度复合材料。固化制度：8 0 1 h 一1 l 0 1 h 一 1 4 O 1 h 一 1 7 0o C1 h 2 2 0o C 2 h 1 3 性能测试和表征 碳纳米管 的分 散情 况采 用试 管静 置实 验、O l y mp a s P MG3型金相显微 镜和 H-7 6 5 0型透射 电子显微镜观察(T E M)。复合材

17、料的室温体积 电阻值在 1 0。1 0 范 围内采用 Z C 3 6型高阻计测量，按照 G B T 1 4 1 0 2 0 0 6制备样品，上下两面涂覆银浆 电极；电阻 值在 11 0 6范围内采用 MS 8 2 6 5数字多用表测 量，复合材料的取样位置如图 1 所示。图 1 R T M 复合材料 测试样 品的取样位置 2 结果 与讨论 2 1 碳纳米管的分散 2 1 1 C NT s 在不同溶剂中的静置实验 C N T s 的形态是决定 混杂复合材料结构和性 能的关 键。本 实 验 选 择 不 同类 型 溶 剂 来 分散 C N T s，其中 C N T s 含量为 0 1 w t ，环氧

18、树脂和溶 剂的体积比为 5：1，制备 了不 同的 C N T s 环氧溶 剂体系并在室温静置 3天后观察。对 比图 2(a)和图 2(b)发现，在静置三天之后，含氯仿和无水 乙醇的混合体系出现 了明显 的分层，含异丙醇 的 试管上 部 已 经 发 生 了分 层 现 象，而 以丙 酮 和 DMA c作为溶剂的混合体系相对稳定。在选用 的 五种溶剂中，氯仿是弱极性溶剂，异丙醇和无水乙 醇是含羟基(一0 H)的极性质子 型溶剂，而丙酮 和 D MAc 是含羰基(一 c 一0)的极性非质子型 溶剂。实验结果表明 C N T s 对极性非质子溶剂分 子具有较大的亲和性，由于丙酮和 DMA c分子中 的羰

19、基具有很强 的溶剂化作用，C N T s 在其 中具 有较好的分散稳定性，考虑到丙酮和 D MAc的沸 点分别是 5 6 和 1 6 6 ，低沸点溶剂越容易挥发，则残留溶剂量就会越少，因此本实验选择 了低沸 点类 的丙酮作为预分散介质。第 1期 王柏 臣，等：R T M 成型碳 纳米管 玻纤混杂 多尺度复合材料 的电性能 6 5 (上接第 4 2页)l 3 Ir a h i m H H，T a w fi k M N e g m H M T h e r ma 1 a c o u s t i c s r a nd om r es p on s e o f s ha p e me mo r y a

20、l l oy h yb rid c o m p o s i t e p l a t e s J J o u r n a l o f A i r c r a f t，2 0 0 8，4 5(3)：9 6296 9 1 4 l R a d u A G，Y a n g B，K i m K，e t a 1 P r e d i c ti o n o f t h e d y n a mi c r e s p o n s e a n d f a t i g u e l i f e o f p a n e l s s u b i e c t e d t o t h e r mo a c o u s ti c

21、l o a d i n g I C 1 4 5 t h S t r u c t u r e。S t r u c t ura l Dy n a mi c s&M a t e r i a l s Co nf e r e nc e 2 00 4 5 Me i C，C h e n R R C o e x i s ti n g t h e r ma l p o s t b u c k l i n g o f c ompo s i t e pl a s wi th i ni t i a l i mp e r f e c t i o ns us i n g fin i t e e l e me n t mo

22、 d a l me tho d s I C P r o c e e d i n g s 3 7 th S t r u c t u r e s，St r uc t u r al Dy na mi c s，an d M a t e r i als Co nf e r e nc e S alt L a k e Ci t y，UT，1 9 9 6(4)：1 3 5 51 3 6 2 j 6 l I s t e n e s R R，Ri z z i S A，W o l f e H F E x p e r i me n t al n o n 一 7 8 9 l i ne a r r a n do m v

23、i b r a tion r e s ul t s o f the rm a l l y bu c k l e d c o mp o s i t e p ane l s c P r o c e e d i n g s o f 3 6 th S t r u c t u r e s，S t r u c t u r a l Dy na mi c s，an d M a t e r i a l s Co n f e r e n c e Ne w Or l e an s，LA，1 9 9 5(3)：1 5 5 91 5 6 8 M ur ph y K DThe o r e tic a l an d e x

24、 p e r i me n t a l s t u di e s i n n o nl i n e a r d yn a mi cs an d s t a b i l i t y of e l a s tic s t r uc t ur e s l D l NC：Durh a m，1 9 9 4 M u r p hy K D，Vi r g i n L N，Ri z z i S AEx pe r i me n t al s n a p t h r o u gh bo u nd a r i es f o r a c o us tic e xc i t e d t h e rm a l l y b u c k l e d p l a t e s l J 1 E x p e ri me n t al Me c h a n i c s，1 9 9 6，3 6 (4)：3 1 23 1 7 沈观林，胡更开 复合材料力学 M 北京：清华大学 出版社，2 0 0 6 (责任编辑：宋丽萍英文审校：刘敬钰)