文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
表面修饰碳纳米管/环氧树脂复合材料的界面结构与性能
姓名:崔伟
申请学位级别:博士
专业:高分子化学与物理
指导教师:解孝林;周兴平
2011-05-20
华中科技大学博士学位论文
摘要
碳纳米管因其具有优异的力学性能,导热性能及导电性能,从而在聚合物基复合
材料应用领域得到了广泛的研究。碳纳米管在聚合物基体中较差的分散性及其与聚合
物基体间弱的界面相互作用,严重影响了碳纳米管/聚合物复合材料各种物理性能的提
升,而碳纳米管的表面功能化是解决该问题的有效途径。本论文采用环氧树脂为聚合
物基体,通过对多壁碳纳米管(MWNT)的表面修饰,制备了不同种类的功能化多壁
碳纳米管,并将其与环氧树脂(epoxy)复合,制备了功能化碳纳米管/环氧树脂复合
材料,系统研究了复合材料中,功能化碳纳米管在环氧树脂基体中的分散及与环氧树
脂基体间界面相互作用对复合材料各种物理性能的影响。
首先,采用超支化聚(脲-氨酯)(HPU)对多壁碳纳米管进行了表面共价修饰,
然后将此表面修饰多壁碳纳米管(MWNT-HPU)与 CYD-128 环氧树脂复合,制备了
MWNT-HPU/epoxy 复合材料。分别研究了 HPU 修饰对复合材料中 MWNT 的分散状
况,及对复合材料加工性能,弯曲及动态力学性能,导热性能,导电性能及热稳定性
能的影响。结果表明,通过 HPU 对 MWNT 的表面功能化,提高了 MWNT 在环氧树
脂中的分散性能及与环氧树脂基体间的界面相互作用,使得碳纳米管/环氧树脂未固化
悬浮体系具有更好的流变学性能,并使得复合材料的弯曲及动态力学性能,热稳定性
得到了有效提高。HPU 对 MWNT 的表面修饰,还促进了 MWNT 与环氧树脂间的声
子耦合效应,从而有效降低了界面热阻,提高了碳纳米管/环氧树脂复合材料的导热性
能。另外, MWNT 经 HPU 表面修饰后,还有效屏蔽了复合材料中的电子传输,从
而赋予了复合材料较高的体积电阻率值。
其次,通过溶胶-凝胶(sol-gel)法,成功实现了二氧化硅(SiO2)对 MWNT 表
面的可控、均匀包覆,从而成功构筑了 SiO2 包覆 MWNT 同轴纳米电缆杂化结构
(******@MWNT)。
将 ******@MWNT 与 CYD-128 环氧树脂复合,制备了 ******@MWNT/epoxy 复合材
料。分别研究了 SiO2 包覆结构对复合材料弯曲及动态力学性能,导热性能,导电性能
I
华中科技大学博士学位论文
及热稳定性能的影响。研究表明,通过 SiO2 对 MWNT 的包覆,降低了碳纳米管的团
聚效应,促进了其在环氧树脂基体中的分散,并改善了 MWNT 与环氧树脂间的界面
相互作用,提高了复合材料的弯曲及动态力学性能,热稳定性能。SiO2 包覆结构还有
效促进了刚性 MWNT 与柔软环氧树脂间的模量匹配,从而降低了两者间的界面热阻,
进而有效提高了复合材料的导热性能。同时,在 MWNT 表面均匀包覆的 SiO2 外壳,
使得复合材料具有极高的体积电阻率值。
另外,通过 sol-gel 法,成功实现了 TiO2 在 MWNT 表面的可控均匀包覆,构筑了
TiO2 包覆 MWNT 同轴纳米电缆杂化结构(******@MWNT),并通过高温煅烧,成功形
成了锐钛 TiO2 晶化包覆层。
最后,将 ******@MWNT 与 CYD-128 环氧树脂复合,制备了 ******@MWNT/epoxy
复合材料,并研究了复合材料的弯曲性能,导热性能及导电性能。结果表明,TiO2 包
覆层促进了碳纳米管在环氧树脂基体中的分散性,有效提高了复合材料的弯曲强度和
模量。另外,除了减轻 MWNT 与环氧树脂基体间的模量失配,进而降低两者间的界
面热阻外,结晶型 TiO2 外壳自身的高导热性能也有利于促进界面热传输,进而最终使
得复合材料的导热性能明显提高。同时,复合材料还具有与纯环氧树脂基体相当的体
积电阻率值。
关键词:环氧树脂,碳纳米管,复合材料,表面功能化,界面,模量匹配,导热绝
缘性能
II
华中科技大学博士学位论文
ABSTRACT
Carbon nanotube (CNT) has been extensively studied in the area of polymer-based
composites, due to its extraordinary mechanical, thermal and electrical conductive
properties. The bad dispersion sta