仿珍珠层结构Al2O3/环氧树脂复合材料制备与性能研究

摘要

作为天然生物材料的一种,贝壳经过大自然的数百万年进化已经演变成了几乎具有完美结构和优异力学性能的天然复合材料。珍珠层是存在于多种贝壳中的主要微观结构,由于其有机质-无机物的复合组成,高度有序的堆垛结构方式以及其中的次级微结构等而具有极好的强度和韧性,这是许多人工合成陶瓷材料无法比拟的。因此,以贝壳珍珠层结构为模板制备仿珍珠层结构复合材料成为了提高陶瓷强度,改善陶瓷脆性最受关注的方法之一。
　　本文首先以河蚌珍珠层为研究对象,运用SEM技术观察了珍珠层的微观堆垛结构;结合X射线仪和热分析仪(TG和DTA)细致分析了珍珠层的相组成和热行为;用三点弯曲、压缩和纳米压痕等方法对珍珠层力学性能进行了分析;最后对珍珠层的结构和性能之间的关系进行探讨,总结得出珍珠层微观堆垛结构和有机质对无机相的粘附作用是仿珍珠层复合材料结构设计的重要参考因素。
　　通过天然珍珠层的启示,本文以冷冻干燥法制备的Al2O3层状多孔陶瓷为无机相,环氧树脂固化体系为有机相,运用真空浸渍技术将树脂浸渗于陶瓷层片中,制备出仿珍珠层结构Al2O3/环氧树脂复合材料。本文采用对比不同固化比例的树脂,调节复合材料中陶瓷相的含量,引入陶瓷桥结构,和改善Al2O3-环氧树脂界面的方法使复合材料的结构和性能不断接近珍珠层结构和性能。
　　实验结果表明:随着树脂体系中固化剂的增加,复合材料的弯曲强度和断裂功的变化趋势为先增加后降低,固化比例(环氧树脂与固化剂的质量比)为1:1时树脂固化最充分,材料的强度和断裂功最大;材料的强度和韧性主要由陶瓷层片与层片间距的厚度比决定,增大陶瓷相含量可提高厚度比,对比陶瓷相含量为40％和50%的两种复合材料,得出陶瓷相含量为50%的材料强度和断裂功最高;本文采用两种层状结构陶瓷(层片间有无陶瓷桥联)作为无机相,向复合材料中引入陶瓷桥结构,增加了层片间相对滑动的阻力和裂纹扩展的抗力,使复合材料的强度和断裂功增加。因此得出,固化比例为1:1、陶瓷相含量为50%和具有陶瓷桥的复合材料强度和断裂功最大,分别为62.24MPa和3.43KJ/m2,珍珠层虽然材料强度与珍珠层相比较低,但是材料的断裂功高于珍珠层的1.2KJ/m2,主要是因为复合材料中树脂含量高,弯曲时发生的塑性变形功较高。
　　将Al2O3多孔陶瓷用KH-550偶联剂表面处理后,陶瓷表面与偶联剂形成了Si-O-Al键,表面从亲水性转变为亲油性,提高了陶瓷与树脂的相容性。用改性后陶瓷制备复合材料使材料的强度和断裂功略有提高,改性后固化比例为1:1、陶瓷相含量为50%和具有陶瓷桥的复合材料强度和断裂功分别为63.11MPa和3.57KJ/m2。

目录

仿珍珠层结构Al2O3/环氧树脂复合材料制备与性能研究

PREPARATION AND CHARACTERIZATION OF Al2O3/EPOXY RESIN COMPOSITES WITH NACRE-INSPIRED HIERARCHICAL COMPLEXITY

摘 要

ABSTRACT

目 录

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 贝壳类材料的主要特点

1.3 贝壳类材料的研究现状

1.3.1 贝壳类材料的宏观、微观结构

1.3.2 贝壳类材料的组成

1.3.3 贝壳的力学性能和增韧机理

1.4 仿贝壳类结构材料的研究状况

1.5 本文主要研究的内容及方法

第2章 实验内容和方法

2.1 实验原料

2.1.1 贝壳珍珠层实验原料

2.1.2 仿珍珠层结构Al2O3/环氧树脂复合材料实验原料

2.2 仿珍珠层结构Al2O3/环氧树脂复合材料的制备流程

2.3 试验方法

2.3.1 TG和DTA分析

2.3.2 X-射线衍射分析(XRD)

2.3.3 SEM分析

2.3.4 傅里叶红外光谱分析

2.3.5 三点弯曲实验

2.3.6 压缩实验

2.3.7 纳米压痕实验

第3章 贝壳珍珠层性能研究

3.1 引言

3.2 河蚌珍珠层微观结构和热重/差热分析

3.3 河蚌珍珠层的相组成

3.4 河蚌珍珠层堆垛结构的力学性能研究

3.4.1 珍珠层的三点弯曲力学性能分析

3.4.2 断口分析

3.4.3 珍珠层的压缩试验分析

3.4.4 纳米压痕试验分析

3.5 本章小结

第4章 仿珍珠层结构Al2O3/环氧树脂复合材料的制备和改性

4.1 引言

4.2 环氧树脂固化体系的研究

4.2.1 环氧树脂的选择

4.2.2 固化剂的选择

4.2.3 稀释剂

4.2.4 固化机理和固化温度

4.2.5 固化时间的确定

4.3 真空浸渍工艺

4.3.1 真空浸渍原理

4.3.2 真空浸渍工艺

4.4 多孔Al2O3陶瓷表面改性的研究

4.4.1 偶联剂改性原理

4.4.2 表面改性工艺

4.5 本章小结

第5章 仿珍珠层结构Al2O3/环氧树脂复合材料的微观结构和性能表征

5.1 引言

5.2 复合材料的微观结构

5.2.1 冷冻干燥法制备的Al2O3多孔陶瓷微观结构

5.2.2 对比Al2O3/环氧树脂复合材料与珍珠层的微观结构

5.3 复合材料的力学性能

5.3.1 不同固化比例对力学性能的影响

5.3.2 不同陶瓷相含量对力学性能的影响

5.3.3 偶联剂表面处理对复合材料的力学性能的影响

5.4 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢

个人简历