二氧化硅纳米粒子/碳纳米管杂化纳米增强体对玻纤/环氧复合材料力学性能及界面结合的增强效应研究

摘要

本文将二氧化硅纳米粒子负载到碳纳米管上成功制备了多尺度杂化纳米增强体，系统研究了该增强体对玻璃纤维/环氧树脂复合材料的力学性能及界面结合的增强效应。红外光谱（FTIR），光电子能谱（XPS）及透射电镜（TEM）等表征手段表明通过碳纳米管的混酸处理、硅烷偶联剂(KH550) 表面修饰和二氧化硅纳米粒子负载等多步接枝反应成功制备了二氧化硅纳米粒子/碳纳米管杂化纳米增强体(SiO2-MWCNTs)。实验结果表明，当SiO2-MWCNTs的含量为0.5 wt%时，环氧树脂基体的杨氏模量提高了33.2%，复合材料的杨氏模量和层间剪切强度分别提高了8.5%和25.9%。这是由于玻璃纤维表面的SiO2-MWCNTs 起到桥接作用，玻璃纤维与环氧树脂之间形成了化学键结合的纳米尺度界面，使玻璃纤维变成了树枝状增强体，从而明显提高了复合材料的界面结合与转递载荷的能力。此外，研究发现复合材料杨氏模量的实验值甚至高于Halpin- Tsai 理论和混合理论的预测值，这与复合材料提高的界面结合、SiO2-MWCNTs的高化学反应性以及二氧化硅纳米粒子的附加增强效应密切相关。SiO2-MWCNTs 将在新一代高性能纤维复合材料上具有巨大的应用潜力。