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成功案例

高壓均質分散技術助力CNT複合材料性能升級

CNT/CFRP簡介

炭纖維增強樹脂基複合材料(Carbon fiber rein forced resin matrix composites, CFRP)具有高比強度高比剛度、優(you) 異的耐腐蝕性、可設計性強、可一體(ti) 化成型等優(you) 點，在航空航天、汽車、海軍(jun) 、武器和民用基礎設施等領域具有廣泛應用。但CFRP在實際應用過程中的會(hui) 出現纖維脫粘、纖維斷裂和層間分層等問題，其中層間分層是最嚴(yan) 重的失效形式之一。


碳納米管(Carbon nanotube, CNT)是一種具有優(you) 異的力學性能的一維納米材料，能夠通過拔出、微裂紋和裂紋橋聯等方式增強CFRP，是改善CFRP機械性能的理想增強體(ti) 。


CNT/CFRP製備方法


由於CNT管間存在較強的範德華力，管與管之間容易相互纏繞在基體中形成團聚，受力時形成應力集中區域，影響CNT/CFRP的性能。目前製備CNT/CFRP的方法主要有以下兩種：


1.通過化學方法使CNT與炭纖維直接相連，從三維結構上製備CNT/CFRP，但是 CNT 容易在炭纖維表麵纏結，影響基體的浸潤和材料整體的性能，另外涉及的工藝、設備要求較高，目前還無法投入大規模生產應用
2.通過物理方法如機械攪拌、超聲、三輥分散等，將CNT與樹脂混合，然後引入CNT/CFRP中。但是大量的實驗表明，加入溶劑或對CNT進行功能化處理的方法可以降低基體的黏度、改善CNT分散時的團聚問題，但是有機溶劑不易回收，微量的溶劑殘留會影響CNT/CFRP樣品的宏觀性能，而功能化處理容易造成CNT部分性能的損傷。

因此，如何在樹脂基體(ti) 中實現CNT的均勻分散是一個(ge) 亟需解決(jue) 的難題。
高壓均質分散CNT


通過高壓均質機對CNT進行預處理，可以打開CNT管束間的纏繞，提高CNT在環氧樹脂中的分散性與(yu) 穩定性，獲得分散均勻的CNT改性樹脂。所製備的CNT/CFRP的層間剪切強度也有所提升。




CNT分散前後外觀對比


使用設備：ATS AH-BASIC 2

通過觀察SEM圖（左）和TEM圖（右）可以看出經過高壓均質機分散處理後，相同質量下CNT體(ti) 積明顯變大且網絡疏鬆，管間團聚現象得到了明顯地改善。


CNT改性樹脂光學顯微鏡圖

左未分散，右分散後

未分散的CNT多以纏繞起來的幾十微米大小的團簇存在於(yu) 樹脂中，結構緊密，基本看不到透過的光線，CNT分布不均勻。高壓均質機分散後的CNT在樹脂中均勻分布且無明顯的團聚現象。


CNT/CFRP微觀樣貌


                                           

使用高壓均質機分散後的CNT改性樹脂製備的 CNT/CFRP ，CNT有效地增強了複合材料的層間性能 ，當CNT含量為(wei) 1.00%時， 複合材料的層間剪切強度達到最大值 85.1 MPa，提高了37.9%。


參考文獻：劉婉玥 ,楊文剛 ,薑欣榮,程曉英 ,呂衛幫.碳納米管預分散及其對複合材料層間剪切力學性能影響研究.[j]炭素技術.2021