碳纳米管预分散及其对复合材料层间剪切力学性能影响研究

碳纳米管预分散及其对复合材料层间剪切力学性能影响研究

摘要：通过高压均质法对多壁碳纳米管粉体进行预分散处理，打开碳纳米管间缠绕，并通过分散剂作用防止碳纳米管再次团聚。研究了经过预分散处理后的碳纳米管对环氧树脂工艺性能及复合材料力学性能的影响规律。结果表明，预分散处理后的碳纳米管在环氧树脂中分散状态良好，储存稳定性高。当预分散处理后的碳纳米管含量为1.00%时，室温下树脂黏度增加至0.7 Pa·s，仍具有良好的加工工艺性及可设计性，所制备的碳纳米管/炭纤维复合材料的层间剪切强度达到85.1 MPa，提高约37.9%。

关键词：多壁碳纳米管；预分散；环氧树脂；复合材料；层间剪切

中图分类号：TB332；O613.7 

文献标识码：A 

文章编号：1001-3741(2021)06-26-07

DOI：10.14078/j.cnki.1001-3741.2021.06.005

炭纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced resin matrix composites, CFRP)具有高比强度、高比刚度、优异的耐腐蚀性、可设计性强、可一体化成型等优点，在航空航天、汽车、海军、武器和民用基础设施等领域具有广泛应用[1-5]。CFRP在实际应用过程中的破坏形式主要表现为纤维脱粘、纤维断裂和层间分层等，其中层间分层是最严重的失效形式之一[6]。由于炭纤维表面活化官能团少，呈惰性，导致其与基体的界面粘结强度低[4]，此外在炭纤维层与层之间存在树脂富集区，树脂强度较低，较小的层间应力就会导致基体损伤而发生严重的分层破坏。

碳纳米管(Carbon nanotube, CNT)是一种具有优异的力学性能[7-9]的一维纳米材料，能够通过拔出[10]、微裂纹[3]和裂纹桥联[11]等方式增强CFRP[12-13]，是改善CFRP机械性能的理想增强体[14-17]。但是由于CNT管间存在较强的范德华力，管与管之间容易相互缠

绕在基体中形成团聚， 受力时形成应力集中区域，影响CNT/CFRP 的性能[18-19]。目前制备CNT/CFRP的方法主要有两种[3]，一是通过化学方法使CNT 与炭纤维直接相连，从三维结构上制备CNT/CFRP [2, 20-22]，但是CNT 容易在炭纤维表面缠结，影响基体的浸润和材料整体的性能[1]，另外涉及的工艺、设备要求较高，目前还无法投入大规模生产应用[23]；二是通过物理方法如机械搅拌[14, 24]、超声[10, 25-27]、三辊分散[28]等，将CNT 与树脂混合，然后引入CNT/CFRP中。Forcellese等[28]利用三辊分散法将羟基功能化的多壁碳纳米管(MWCNT)分散到基体中，MWCNT没有发生沉降和团聚现象，但是添加CNT 会导致树脂黏度大幅提高，影响其工艺性能。Al-Saleh 等[27]为了降低树脂的黏度，在体系中引入了降黏剂(VRA)，然而CNT的分散没有得到有效改善。Gong 等[19]发现表面活性

剂C12EO8有效改善了CNT的团聚， 但是C12EO8具有增塑剂的作用， 降低了样品的储能模量。Pereira等[15] 报道了一种将低黏度环氧树脂直接注入CNT骨架的方法，避免了CNT 引入时的黏度上升，然而CNT 骨架周围树脂分布不均匀， 存在树脂富集区。Chen 等[29] 通过超声法将类离子液体型的MWCNT(MWCNTs-iL)引入环氧基体中，树脂的剪切黏度降低了69.1%，但是MWCNTs-iL 表面存在大量缺陷，严重影响了材料的性能。大量的实验表明，加入溶剂或对CNT进行功能化处理的方法可以降低基体的黏度、改善CNT 分散时的团聚问题， 但是有机溶剂不易回收，微量的溶剂残留会影响CNT/CFRP 样品的宏观性能，而功能化处理容易造成CNT部分性能的损伤。因此，如何在树脂基体中实现CNT的均匀分散是一个亟需解决的难题。

本文研究了一种低成本、高效率、环保无污染、且无溶剂添加的预分散工艺(Pre-dispersion, Prd)，通过高压均质法对MWCNT进行预处理，打开CNT管束间的缠绕，提高了CNT 在环氧树脂中的分散性与稳定性，获得了分散均匀的CNT改性树脂。探究了预分散工艺对CNT分散性、树脂基体力学性能以及CNT/CFRP 层间性能的影响规律。

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