气相生长纳米碳纤维/环氧树脂复合材料的制备及其功能化

【摘要】为了更好地改善和优化环氧树脂性能，提高材料的力学性能和热学稳定性，并且赋予材料特殊的功能性，以性能优异的气相生长纳米碳纤维(VGCNFs)为填料，与环氧树脂进行复合，制备VGCNF/环氧树脂复合材料。为此，首先对VGCNFs的表面功能化进行了探索，并将功能化的VGCNFs作为增强材料，制备具有良好力学性能，同时兼具形状记忆性能和磁性能的环氧树脂基复合材料，为进一步优化环氧树脂复合材料的性能和拓宽应用范围提供参考。原始的气相生长纳米碳纤维(raw-VGCNFs)在应用过程中极易团聚，且其表面呈惰性，使其在树脂基体材料中的分散性和界面结合性能较差，从而影响VGCNF/环氧树脂基复合材料的性能。为了改善VGCNFs在环氧树脂基体中的分散性及其与基体界面的结合性能，提高复合材料的力学性能，采用H2O2/HNO3对VGCNFs进行表面氧化处理，利用傅里叶红外光谱分析仪(FT-IR)，场发射电子扫描显微镜(FE-SEM)及万能材料试验机对材料的微观结构和力学性能测试与分析。结果表明：表面氧化处理后的VGCNFs，其表面接枝上了含氧功能性官能团。为了赋予气相生长纳米碳纤维/环氧树脂复合材料更优异的力学性能并兼具多功能性，首先采用化学-热处理法，利用Co3O4对VGCNFs进行了修饰，得到了表面含有Co3O4的VGCNFs(Co3O4-VGCNFs)，采用了扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱仪以及X射线衍射仪对Co3O4-VGCNFs的表面形貌、表面官能团及晶型结构进行了表征分析。研究结果表明，在VGCNFs表面形成了具有良好晶型结构的Co3O4纳米粒子。其次，分别利用表面氧化处理的VGCNFs和Co3O4-VGCNFs为填料，制备VGCNF/环氧树脂复合材料，并分别对复合材料的微观形貌、拉伸强度、热稳定性、磁学性能及形状记忆性能进行了测试表征。结果表明，VGCNF/环氧树脂复合材料具有十分优异的性能。VGCNFs的加入有效地提高了环氧树脂的力学性能，当VGCNFs含量为0.5wt%时，表面氧化处理的VGCNF/环氧树脂复合材料和Co3O4-VGCNF/环氧树脂复合材料的拉伸强度比原始的VGCNF/环氧树脂分别提高了20.7%和44.6%；通过动态力学性能分析表明，复合材料的储能模量和玻璃化温度均得到了提高。同时，表面氧化处理的VGCNFs和Co3O4-VGCNFs增强环氧树脂复合材料的热稳定得到改善。通过对VGCNF/环氧树脂复合材料的功能性研究表明，表面氧化处理的VGCNFs和Co3O4-VGCNFs增强的环氧树脂复合材料显示了良好的形状记忆性能，且复合材料的形状恢复率较高。Co3O4-VGCNF/环氧树脂复合材料具有一定的磁性能，其饱和磁强度和矫顽力分别为0.0429emug-1和0.75kOe，表明制备的VGCNFs增强的环氧树脂复合材料在具有良好热力学性能的同时，实现了多功能性。
【作者】丁娟；
【导师】傅雅琴；
【作者基本信息】浙江理工大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】气相生长纳米碳纤维；环氧树脂；复合材料；多功能化；磁性能；形状记忆性能；

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