碳纳米管/环氧树脂复合材料的研究进展www.tool-tool.com

32bW

Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.

摘要：介绍了碳纳米管与环氧树脂复合材料的力学性能、电性能、摩擦性能及吸波性能等；并结合国内外研究现状，探讨了该复合材料制备中存在的问题及发展的方向。

关键词：碳纳米管；环氧树脂；复合材料

中图分类号：TQ342.74文献标识码：B

碳纳米管(CNTs)是新型的准一维功能材料，具有大的长径比、超高的强度和模量，韧性好，密度低，更兼具特殊的电子学性质。其杨氏模量可达 1.0TPa以上[1]，比一般的碳纤维高一个数量级，大约为钢的100倍；拉伸强度达（45±7）GPa，是高强钢的20倍；CNTs含有丰富的п电子，也可以作为导电聚合物，将其与其他聚合物复合，以期得到性能更加优良的复合材料。同时，CNTs还具有很好的柔韧性，最大弯曲角度超过110°，是复合材料的优秀改性剂和理想的功能、增强材料。其超强的力学性能和热稳定性可以极大地改善聚合物基复合材料的强度和韧性，从1991年日本学者发现以来，一直是世界科学研究的热点之一[2-5]。随着CNTs产量的扩大和质量的提高，其应用开发研究已经取得了一定的进展，其中复合材料是一个重要领域。环氧树脂具有良好的机械性能、电性能和热性能，广泛应用于机械、化工、电子电气和航空航天等领域。环氧树脂最大的缺点是交联固化后质脆，耐冲击和应力开裂的能力较差。在环氧树脂中引入纳米粒子进行改性被证明是一种十分有效的方法，已引起国内外学者的广泛重视。环氧树脂的电绝缘性能好，与其他材料复合后，一般能保持其良好的电绝缘性能，同时又能增强复合材料的黏结性、耐腐蚀性、加工性等，特别是加入导电材料，可以获得具有较高介电常数的复合材料，还能够改善其介电损耗[6]。

1CNTs与环氧树脂复合材料的性能研究

CNTs/聚合物纳米复合材料的研究最初是从切片过程中CNTs的取向开始的。Ajayan等[7]通过机械搅拌制备了多壁碳纳米管（MWNTs）在环氧树脂基体中的定向排列复合材料。Jin等[8]同样研究了MWNTs在环氧树脂基体中定向排列复合材料的制备，通过热塑性聚合物与CNTs分散在氯仿中，然后浇铸得到复合材料。在100℃时，CNTs可以达到同方向伸展，并且除去外力后在室温下仍然可以达到同方向伸展的复合材料。Bower等[9]通过 X-射线衍射和透射电镜研究了该材料的同向性和同向程度。

1.1力学性能

CNTs/环氧树脂复合材料的力学性能已经被广泛的研究[10-12]，由于径向的纳米级尺寸和高的表碳纳米管/环氧树脂复合材料的研究进展面能导致 CNTs在聚合物中容易团聚，分散性变差，不仅降低了其有效长径比，而且容易造成管与管之间的滑移，使得增强效果变差。Salvetat等首先研究了分散性对CNTs/聚合物纳米复合材料力学性能的影响，认为CNTs之间的团聚和滑移不能使其起到有效的增强作用。Gong等研究了表面活性剂对CNTs在环氧树脂中分散性的影响，加入表面活性剂后，1%的CNTs可使聚合物的玻璃化温度（Tg）由63℃提高到88℃，弹性模量增加30%，表面活性剂起到分散和增塑的效果，其憎水端靠近CNTs而亲水端与环氧树脂形成氢键作用。

谷红波等[13]制备了MWNTs/环氧树脂复合材料，对其性能测试结果表明：经过化学酸化的方法处理后的MWNTs在复合材料中的分散得到了改善，力学性能也得到了明显的提高。

除了分散性外，CNTs在聚合物中的取向对材料的微观力学性能也有较大影响[1]。Cooper等[11]研究发现：在应力转移过程中拉曼光谱中的 2600cm-1向低波长方向移动，波长的移动表明：存在应力转移并且CNTs起到了增强效果。Ajayan等[12用机械共混的方法制备了CNTs/环氧树脂纳米复合材料。研究表明：在拉伸过程中，拉曼峰没有发生变化是因为CNTs在环氧树脂基体中在拉伸时发生了滑动，并且增强了弱的界面力。为了改进 CNTs在环氧树脂基体中的分散性和界面结合力，表面接枝改性被大量的研究。

梁叔全等[14]研究了CNTs的加入量与分散程度对CNTs/环氧树脂复合材料的拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率的影响。结果表明：CNTs加入量大约在1.75%以下时，CNTs可在基体中分散均匀，没有明显的团聚，复合材料的强度得到提高。但是随着CNTs含量的继续增加，CNTs可能趋于团聚，在基体中的分散变得不均匀，反而会使复合材料的强度下降。CNTs含量为0.75%时，复合材料的拉伸强度提高18.3%，拉伸模量提高20.5%，断裂伸长率提高92.8%。当CNTs含量增加到一定量时，CNTs易趋于团聚，在基体中的分散变得不均匀，原针状纤维的网络结构变为互相缠绕、纠结的微米级团簇，限制了其网络应力承载作用的发挥，导致复合材料的强度反而降低。袁观明等[15]研究了CNTs/环氧树脂复合材料的力学性能，发现CNTs对环氧树脂具有明显增强增韧作用。且当CNTs加入量为3.0%时，复合材料的综合性能较好，拉伸强度、拉伸模量及断裂伸长率较纯树脂分别提高了 90%~100%、60%~70%、150%~200%。

1.2电性能

环氧树脂的电绝缘性能好，与其他材料复合后，还能够改善其介电损耗，较目前通用的导体和有机聚合物的复合材料的介电损耗小得多[6]。大量实验结果表明 [16]：与其他增强体(如炭黑、碳纤维或金属填充物等)相比，CNTs对聚合物基复合材料导电性能的改善效果更为显著。由于CNTs具有纳米级尺寸、加入量较少，其聚合物复合材料在获得良好的导电性能的同时，可以保证其机械性能及其他性能基本不变。

纯环氧树脂表面电阻率为1012Ω/m，MWNTs质量比为1%时，表面电阻率是1011Ω/m，5%时为107Ω/m，10%时降为104Ω/m，与纯环氧树脂相比降低了8个数量级[17]。

当导电填料在聚合物中的含量到一定程度时复合材料就能变为导电体，这时的填料量称为阈值。由于CNTs的高长径比和管的纳米尺度，其与聚合物制备的复合材料的阈值往往非常低。阈值的大小受到纳米管的长径比、分散状况和排列状况等因素的影响[18]。

YodhAG等[19]研究制备了具有非常低导电阈值的单壁CNTs与环氧树脂的复合材料，其阈值为0.0052%，是至今报道的环氧树脂与CNTs复合材料中比较低的。研究认为低的阈值是由于在复合材料中半稀释浓度区间连续形成了纳米管链。BaiJB等[20]在制备MWNTs与环氧树脂复合材料时发现，当纳米管的长度从1μm升高到50μm时，阈值降低了8倍。

改善纳米管在聚合物基体中分散时，能增加其长径比，因而具有更低的阈值。定向排列的纳米管比任意排列的纳米管具有较高阈值的原因在于其管与管之间较少的表面接触。WindleAH等[21]研究了单壁CNTs和MWNTs与环氧树脂的复合材料的导电性，发现用MWNTs制备的复合材料的阈值小于 0.0005%，单壁CNTs制备的复合材料的阈值较高为0.05%~0.23%。

Sandler等[22]制得的0.1%CNTs/环氧树脂复合材料的导电率达到了10-2S/m，而其力学性质却基本没有改变。Sandler等 [23]使用排列整齐的MWNTs制备的0.001%~1%MWNTs/环氧树脂复合材料具有非常低的渗滤阈值(0.0025%)，比使用相互缠结的 MWNTs的最好结果还要低一个数量级。当CNTs含量为0.005%时，复合材料的导电率即可以达到抗静电要求。

文献[13]中报道了酸处理后的MWNTs/环氧树脂复合材料电性能，表明酸处理后的MWNTs/环氧树脂复合材料虽然比纯环氧导电性有所增强，但与未处理MWNTs/环氧树脂复合材料相比，导电性能差了很多，这可能是由于酸处理破坏了MWNTs表面的结构，形成大量的缺陷，从而抑制了其导电通路的形成。

1.3摩擦性能

CNTs在增加复合材料摩擦性能方面也有很大的作用。ZhangLC等[24]研究了CNTs增强环氧树脂的摩擦性能。研究表明：CNTs相对于环氧树脂的表面覆盖面积比例是影响复合材料摩擦性能的重要因素，当这个值大于25%时，摩擦率减少了5.5个因子，高的表面覆盖面积比例能提高摩擦性能的原因是在摩擦表面暴露的CNTs能够起到保护环氧树脂基体的作用。

陈晓红等[25]采用浇铸法，利用超声分散制备了MWNTs/环氧树脂纳米复合材料，研究了CNTs的添加量及分散程度对复合材料表面形貌和摩擦磨损性能的影响。结果表明：随着CNTs加入量的提高（1%~4%），复合材料的摩擦系数和磨损率均呈现降低趋势，摩擦系数由0.60降到0.22，磨损率由 1.11×10-4mg/(N？m)降为2.22×10-5mg/(N？m)。在CNTs添加量(1%)相同的情况下，其分散程度高的复合材料的摩擦性能更好。纯环氧树脂与45#钢对磨时发生黏着磨损和疲劳剥落，而由于纳米管的增强和自润滑作用，CNTs/环氧树脂复合材料的黏着磨损和疲劳剥落明显减轻。

王振家等[26]研究了耐腐蚀材料环氧树脂中添加适量的CNTs粉末，以改善环氧树脂涂层的耐磨损性能。结果表明：环氧树脂基体中添加MWNTs，可以增强材料的摩擦磨损性能。当添加10%的CNTs粉末时，改性环氧树脂涂层的耐磨性能提高到226%。张爱波等[27]研究了MWNTs含量、超声分散时间、超声分散方式对环氧复合材料摩擦磨损性能的影响，并探讨了复合材料摩擦磨损机理。结果表明：MWNTs添加量为1.5%时，MWNTs/环氧树脂复合材料比环氧树脂摩擦系数降低17.8%，磨耗率降低91.7%；加入MWNTs降低了复合材料黏着磨损与疲劳剥落；延长超声波处理时间及采用高功率超声波仪器能够有效提高MWNTs分散程度，提高复合材料摩擦磨损性能。

1.4吸波性能

CNTs特有的螺旋、管状结构，使其具有不同寻常的电磁波吸收性能。

利用CNTs的吸波隐身特性，将其作为吸波剂添加到聚合物中，能制备出兼备吸波性能和优越力学性能的吸波隐身复合材料，已成为研制新一代吸波隐身材料的重要方向之一[28]。

CNTs/聚合物复合材料在电磁辐射屏蔽材料[29-31]及微波吸收材料[32]方面的应用研究已取得了实质性进展。这些材料有望应用于人体电磁辐射防护以及移动电话、计算机、微波炉等电子电气设备的电磁屏蔽。目前，一个极具潜力的应用就是实现对手机和计算机等电磁辐射的屏蔽。科技人员预测，如果使其在不同频率范围内具有吸波性能、且可以多种形态和多种尺寸分布的CNTs作为吸波剂，并对其进行合理的材料设计，那么在不久的将来就有可能制备出既能增强聚合物性能，又能在全频范围内吸收雷达波的新型吸波材料，这对飞机、导弹、火炮、坦克等军事装备的隐形具有非常重要的实际意义[28]。

刘玲等[33]将不同管径(10~100nm)的MWNTs填加到环氧618与环氧6360的混合物中，经过搅拌分散、除气泡、浇铸，并固化成型，研究其在微波频段的吸波性能和对环氧聚合物力学性能的影响。采用波导同轴法测试了复合材料在3.9~12.4GHz的吸收曲线，并测试了复合材料的拉伸性能。结果表明：不同管径的MWNTs在微波频段均有较好的吸收性能。

杜波等[34]采用KOH活化处理后的CNTs进行化学镀钴，然后均匀分散在环氧树脂中制成CNTs/环氧树脂复合材料。用弓型法测量在 2.0~18.0GHz频段内的雷达吸波性能。结果表明：CNTs表面镀钴后，其磁性能和导电性能得到了明显改善，复合材料的吸收峰成功的移至X波段，吸收峰（R<-10dB）的带宽明显拓宽，吸收强度也有所增强。

袁华等[35]将高温碱处理MWNTs分散到环氧树脂中制成MWNTs/环氧树脂吸波复合材料，并研究了该复合材料的微波吸收性能。改变CNTs高温碱处理的浓度可以使复合材料的最大吸收峰向高频方向移动，与此同时，吸收峰强度和吸波频宽也有所提高，这对于调整雷达吸波材料的吸波频段、吸波强度和吸波频宽有着十分重要的意义。

2·CNTs/环氧树脂复合材料存在的问题及发展方向

CNTs/环氧树脂复合材料的制备与性能研究，在制备方法、结构表征与性能研究等方面近年来取得了长足的进步，CNTs改性环氧树脂已经成为目前环氧树脂改性的一种重要途径。目前的研究表明：CNTs/环氧树脂复合材料具有很好的力学性能、热性能、电性能、吸波性能等，已经成为聚合物基纳米复合材料中最具潜力的材料之一。但仍存在一些问题，主要包括：CNTs在环氧树脂中的部分团聚、难以定向排列、纯度低、成本高等问题[36]。以后的研究应朝着一些新的方面发展：(1)研究影响CNTs/环氧树脂复合材料性能的因素，包括CNTs的类型、纯度、长径比、缺陷密度、制备方法以及CNTs的添加量、分散状况和排列情况等；(2)CNTs的功能化，这是提高其在环氧树脂基体分散性和改善其界面黏结最常用和最有效的方法，经过改性的CNTs对提高树脂的各项性能有很大的影响；(3)添加不同性质的化合物，有针对性地提高材料某一方面的性能，如在CNTs表面镀上具有磁性的金属纳米粒子，然后再与环氧树脂复合，以提高复合材料的磁性能和吸波性能；或者加入有机蒙脱土，发挥有机蒙脱土和CNTs对环氧树脂协同增强和增韧的作用[37]；(4)将高能超声、高速剪切分散、表面活性剂、CNTs的化学修饰和改性以及复合材料的制备工艺相结合，提高添加物在环氧树脂中的分散程度和取向性，以制备综合性能更加优良的复合材料。

3·结语

随着CNTs改性技术的提高、CNTs/环氧树脂复合材料制备技术的完善，以及对其制备机理研究的进一步深入，将会制备出性能多样化、用途多样化的 CNTs/环氧树脂复合材料，并广泛地应用于日常生活和军事方面，从而更大程度地推动经济的发展和航空航天事业的进步。

(责任编辑：admin)

歡迎來到Bewise Inc.的世界，首先恭喜您來到這接受新的資訊讓產業更有競爭力，我們是提供專業刀具製造商，應對客戶高品質的刀具需求，我們可以協助客戶滿足您對產業的不同要求，我們有能力達到非常卓越的客戶需求品質，這是現有相關技術無法比擬的，我們成功的滿足了各行各業的要求，包括：精密HSS DIN切削刀具、協助客戶設計刀具流程、DIN or JIS 鎢鋼切削刀具設計、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 航太切削刀具,NAS航太刀具設計、超高硬度的切削刀具、醫療配件刀具設計、複合式再研磨機、PCD地板專用企口鑽石組合刀具、粉末造粒成型機、主機版專用頂級電桿、PCD V-Cut刀、捨棄式圓鋸片組、粉末成型機、航空機械鉸刀、主機版專用頂級電感、’汽車業刀具設計、電子產業鑽石刀具、木工產業鑽石刀具、銑刀與切斷複合再研磨機、銑刀與鑽頭複合再研磨機、銑刀與螺絲攻複合再研磨機等等。我們的產品涵蓋了從民生刀具到工業級的刀具設計；從微細刀具到大型刀具；從小型生產到大型量產；全自動整合；我們的技術可提供您連續生產的效能，我們整體的服務及卓越的技術，恭迎您親自體驗！！

BW Bewise Inc. Willy Chen willy@tool-tool.com bw@tool-tool.com www.tool-tool.com skype:willy_chen_bw mobile:0937-618-190 Head &Administration Office No.13,Shiang Shang 2nd St., West Chiu Taichung,Taiwan 40356 http://www.tool-tool.com / FAX:+886 4 2471 4839 N.Branch 5F,No.460,Fu Shin North Rd.,Taipei,Taiwan S.Branch No.24,Sec.1,Chia Pu East Rd.,Taipao City,Chiayi Hsien,Taiwan

Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting tool、aerospace tool .HSS DIN Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 Cutting Tools,Carbide end mill、disc milling cutter,Aerospace cutting tool、hss drill’Фрезеры’Carbide drill、High speed steel、Compound Sharpener’Milling cutter、INDUCTORS FOR PCD’CVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )’PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) ’Core drill、Tapered end mills、CVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden Finger’PCD V-Cutter’PCD Wood tools’PCD Cutting tools’PCD Circular Saw Blade’PVDD End Mills’diamond tool. INDUCTORS FOR PCD . POWDER FORMING MACHINE ‘Single Crystal Diamond ‘Metric end mills、Miniature end mills、Специальные режущие инструменты ‘Пустотелое сверло ‘Pilot reamer、Fraises’Fresas con mango’ PCD (Polycrystalline diamond) ‘Frese’POWDER FORMING MACHINE’Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、Staple Cutter’PCD diamond cutter specialized in grooving floors’V-Cut PCD Circular Diamond Tipped Saw Blade with Indexable Insert’ PCD Diamond Tool’ Saw Blade with Indexable Insert’NAS tool、DIN or JIS tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills’end mill grinder’drill grinder’sharpener、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angel carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-nosed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.

Bewise Inc. www.tool-tool.com

ようこそＢｅｗｉｓｅ　Ｉｎｃ.の世界へお越し下さいませ、先ず御目出度たいのは新たな

情報を受け取って頂き、もっと各産業に競争力プラス展開。

弊社は専門なエンド・ミルの製造メーカーで、客先に色んな分野のニーズ、

豊富なパリエーションを満足させ、特にハイテク品質要求にサポート致します。

弊社は各領域に供給できる内容は：

（１）精密ＨＳＳエンド・ミルのＲ＆Ｄ

（２）Carbide Cutting tools設計

（３）鎢鋼エンド・ミル設計

（４）航空エンド・ミル設計

（５）超高硬度エンド・ミル

（６）ダイヤモンド・エンド・ミル

（７）医療用品エンド・ミル設計

（８）自動車部品＆材料加工向けエンド・ミル設計

弊社の製品の供給調達機能は：

（１）生活産業～ハイテク工業までのエンド・ミル設計

（２）ミクロ・エンド・ミル～大型エンド・ミル供給

（３）小Ｌｏｔ生産～大量発注対応供給

（４）オートメーション整備調達

（５）スポット対応～流れ生産対応

弊社の全般供給体制及び技術自慢の総合専門製造メーカーに貴方のご体験を御待ちしております。

Bewise Inc. talaşlı imalat sanayinde en fazla kullanılan ve üç eksende (x,y,z) talaş kaldırabilen freze takımlarından olan Parmak Freze imalatçısıdır. Çok geniş ürün yelpazesine sahip olan firmanın başlıca ürünlerini Karbür Parmak Frezeler, Kalıpçı Frezeleri, Kaba Talaş Frezeleri, Konik Alın Frezeler, Köşe Radyüs Frezeler, İki Ağızlı Kısa ve Uzun Küresel Frezeler, İç Bükey Frezeler vb. şeklinde sıralayabiliriz.

BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт www.tool-tool.com для получения большей информации.

BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web www.tool-tool.com for more info.