哈尔滨学院本科毕业论文（设计）
3.2 性能表征及讨论
3.2.1透射电子显微镜表征
(a)原始多壁碳纳米管
(b)混酸处理的多壁碳纳米管
图3-2不同多壁碳纳米管的高分辨透射电子显微镜照片
图3-2显示了不同多壁碳纳米管的高分辨透射电子显微镜照片。可以看出，原始多壁碳纳米管的直径是不均一的，分布在一定的范围内，并且有不少黑色斑点存在于多壁碳纳米管的微观结构中，说明原始多壁碳纳米管中含有一些杂质(见图3-2a)。经过浓硫酸/浓硝酸处理之后，在多壁碳纳米管中黑色斑点数量大大减少，这说明大部分杂质经混酸处理后已被除去(见图3-2b)。此外，在图3-2b中，多壁碳纳米管其结构看起来还比较清晰，说明混酸处理并没有较大程度上破坏其结构，并有部分多壁碳纳米管的端部被打开，因而在表面功能化过程中，除侧壁功能化外，也会存在端部功能化。
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3.2.2复合材料分散状态分析（SEM表征）
（a）原始碳纳米管/环氧树脂
（b）羧基化碳纳米管/环氧树脂 图3-3树脂复合材料拉伸断面的SEM照片
图3-3是碳纳米管/环氧树脂复合材料拉伸断面的场发射SEM照片，其中碳纳米管的含量均为0.5wt%，从图中可以观察到MWNT在基体中的分散情况。(a)图是原始碳纳米管与环氧树脂复合材料的拉伸断面，可以看出MWNT很容易缠结在一起，在基体中的分散性不好，并且明显观察到有很多碳管被拉断的现象，说明两者之间的界面结合力很弱；图(b)中超声氧化处理后MWNT团聚减少，在EP基体中的分散性变好，没有明显的较长碳纳米管被拉断现象，从以上分析可以看出，超声氧化可以改善碳纳米管的团聚现象，进一步羧基化可以更好的使碳纳米管分散在环氧树脂中，并且碳纳米管表面的羧基可以与环氧基团发生反应从而大大提高了复合材料的界面相容性，这对于提高复合材料的性能起着关键作用。
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3.3 碳纳米管添加量对复合材料力学性能的影响
3.3.1碳纳米管含量对弯曲强度的影响
在完成对机械和超声分散的参数的摸索后，在固定的搅拌及超声时间和强度条件下，通过改变实验中树脂内加入的碳纳米管的量，以讨论不同的碳纳米管含量对碳纳米管/环氧复合材料弯曲强度的影响。图3-4为碳纳米管含量对碳纳米管/环氧复合材料弯曲性能的影响。
908580弯曲强度(MPa)7570656055504501234含量(wt%)
图3-4 碳纳米管含量对弯曲强度的影响
从图3-4中可以看出：当碳纳米管含量低于3%时，随着含量增加，碳纳米管/环氧复合材料弯曲强度有不断增加趋势；当含量为3％时，碳纳米管/环氧复合材料弯曲强度达到最大值，比未加纳米粒子时增加了72％；当碳纳米管含量超过3%时，碳纳米管/环氧复合材料的弯曲性能随着纳米含量的增加呈下降趋势。
对于纳米级粒子来说，因其粒径很小，比表面积大，表面层内原子所占比例大，故可以与环氧树脂充分地吸附、键合，加之采用了偶联剂，增强了粒子与基体的界面粘合，这些均有利于粒子与基体之间的应力传递，提高承担载荷的能力，所以，对基体的增强与增韧同时进行[15]。如果碳纳米管的加入量超过一临界值，纳米粒子之间距离太近，材料受外力时产生的银纹过多、塑性变形过大，从而演变成大的裂纹，导致材料的强度和韧性均为下降。这充分体现出了碳纳米管优良的填充性，并不要很大的用量即可使材料在性能上得到了较大的提高。碳纳米管粒子含量为3%时，与基体有良好的相容性，碳纳米管起到交联点的作用。纳米复合材料的综合性能达到最佳值。碳纳米管粒子填充量少于3%时，由
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于填充量少，复合材料虽然产生相分离但程度弱，玻璃化温度低于基体，强度和韧性也未能达到最佳。碳纳米管填充量大于3%时，碳纳米管容易发生团聚，与基体相容性降低，缠结减弱，复合材料相分离减弱，玻璃化温度升高，复合材料的弯曲强度有所降低。
3.3.2碳纳米管含量对拉伸强度的影响
拉伸强度可反映复合材料的延展性，因而考察碳纳米管含量对复合材料拉伸性能的影响。纳米粒子含量对碳纳米管/环氧复合材料拉伸性能的影响见图3-5。从图3-5中可以看出：当碳纳米管含量低于3%时，随着含量增加，碳纳米管/环氧复合材料拉伸强度不断增加；当含量为3％时，碳纳米管/环氧复合材料拉伸强度达到最大值，比未加碳纳米管复合材料提高约65%；当超过3%时，复合材料的拉伸性能随着纳米含量的增加呈下降趋势。当复合材料受力时[16]，碳纳米管粒子与基体之间产生微裂纹(银纹)可吸收外界能量；同时粒子之间的基体也产生塑性变形，吸收能量，从而达到增韧的效果，进而提高复合材料的拉伸性能。拉伸强度提高的程度主要由纳米粒子的分散情况决定，在相同的分散程度，随着纳米粒子含量增加，纳米粒子与环氧树脂的接触表面积增大，提高了复合材料内的界面，增加了纳米粒子与环氧树脂的界面键合，材料受拉伸时，产生更多的微裂纹，吸收更多的能量。因而碳纳米管含量低于3%时，随着含量增加，碳纳米管/环氧复合材料拉伸强度不断增加。但若碳纳米管用量过大，微裂纹易发展成宏观开裂，体系性能变差；另外，随着纳米粒子含量增大，纳米粒子在环氧树脂中不易分散，或产生二次团聚，因而使复合材料的拉伸强度有所下降。
444240拉伸强度（MPa）38363230282624012345含量(wt%) 34
图3-5 碳纳米管含量对拉伸强度的影响
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结 论
以碳纳米管为填料添加到环氧树脂基体中制备力学性能优异的复合材料，首先对碳纳米管进行酸处理使其带有活性的羧基基团，使其易于与环氧树脂中的环氧基复合；其次，采用超声分散的方法，并借助表面活性剂的作用，使碳纳米管在环氧树脂基体中分散均匀；最后对所制备的碳纳米管/环氧树脂复合材料进行力学性能的表征，结果表明，少量碳纳米管的加入即可较大程度的增加环氧树脂的力学性能。
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