论文微纳米无机颗粒对聚氨酯环氧树脂基复合材料性能的影响是关于环氧树脂方面的论文题目、论文提纲、环氧树脂论文开题报告、文献综述、参考文献的相关大学硕士和本科毕业论文。
摘 要：通过机械搅拌混合法制备了微/纳米无机颗粒改性的聚氨酯环氧树脂复合材料, 研究了颗粒组成和含量对复合材料力学和热稳定性的影响,进而探讨了所得复合材料的强韧化机理.结果表明： 相比微米颗粒,纳米颗粒的加入能显著提高复合材料的层间剪切强度和拉伸强度,降低层间剪切模量,同时改变材料的断裂方式.当纳米SiC颗粒的添加量（质量分数）为2%时,所得复合材料的层间剪切强度和拉伸强度分别为44.7 MPa和56.56 MPa,相比添加前提高约88%和74%,所得复合材料不同失重率下对应的温度较添加前提高了4～8 ℃.纳米颗粒弥散强化和钝化银纹扩展是复合材料主要的强韧化机理.
关键词：微/纳米粒子；聚氨酯环氧树脂；力学性能； 热稳定性；强韧化机理
中图分类号：TQ323.8文献标识码：A
环氧树脂（EP）具有良好的热稳定性、电绝缘性、粘结性、力学性能,成型工艺多样化,性价比较高,被广泛应用于航空/航天、电气/电子等领域[1-4].由于环氧树脂具有三维网状交联结构,此结构带来众多优点的同时,也赋予其固有的缺点,固化后质脆、耐冲击性较差和容易开裂等.利用环氧树脂制备的复合材料存在层间韧性不足,受到低速冲击后层间容易发生分层等问题,严重影响其使用寿命和范围,这就要求对环氧树脂进行增韧[5].当前,广泛采用的改性方法是向树脂中加入橡胶[6-7]或热塑性树脂[8],通过反应诱导相分离形成分相结构[9-10],实现对树脂基体的增韧.但是这些增韧成分的引入,增加了树脂体系的化学复杂性,带来了一系列问题.例如增韧剂要与原有树脂相匹配,改性剂的存在会导致树脂的工艺条件发生改变,对树脂的刚度、模量、湿/热等性能可能产生影响等[11].
近年来很多研究者采用无机刚性纳米粒子[11-16]对环氧树脂进行增强、增韧改性.这是因为纳米粒子的表面非配对原子多、活性高,很容易与环氧树脂中的某些官能团发生物理或化学作用,提高粒子与环氧树脂基体的界面结合能力,有助于降低聚合物键的能动性,因而可承担一定的载荷,具有增强、增韧的可能.而且,这种无机纳米颗粒的加入,对体系的物理化学性质没有明显影响,有利于保持现有树脂体系及其工艺条件不变.同时这种利用物理手段实现的强度韧性提升,由于不涉及化学计量,可以方便地选择增韧剂的使用量.
本研究以商用的聚氨酯-环氧树脂复合材料为基体,系统研究了几种无机微米/纳米粒子的添加对复合材料力学和热稳定性的影响,并对改性后复合材料的强韧化机理进行了初步讨论.
1实验部分
1.1原料
纳米SiO2,粒径：30 nm （杭州万景新材料有限公司,简写为NSI）.纳米SiC,50 nm；纳米MgO,30 nm；纳米Al2O3,30 nm （上海水田材料科技有限公司,分别简写为NSC,NMG和NAL）.微米Al2O3,1～3
SymbolmA@ m （郑州市海旭磨料有限公司,简写为LAL）.微米MgO,0.5～1
SymbolmA@ m （深圳晶材化工有限公司,简写为LSC）.聚氨酯改性环氧树脂粘结剂（商业原料,缩写为PUEP）,其主剂和固化剂分别标示为PUEPM和PUEPS.
2结果与讨论
2.1颗粒组成和含量对复合材料拉伸剪切强度的
影响
图1为无机颗粒组成和含量与复合材料拉伸剪切强度的关系曲线.从图1可以看出,向PUEP体系加入无机颗粒后,其拉伸剪切强度均先增加后降低,最佳添加量均为2%.在该加入量时,2%LMG改性PUEP复合材料的拉伸剪切强度相比未添加的PUEP复合体系增加了14.7%,2%LAL增加了8.0%,2%NMG增加了68.9%,2%NSI增加了61.3%,2%NSC增加了87.8%,添加2%NAL增加了54.2%.这是因为无机颗粒经硅烷偶联剂处理后其表面带有活性基团,颗粒可以充分接枝在基体上.此外,纳米粒子较小的粒径和较大的比表面积,提高了纳米粒子和基体的相容性.因此纳米粒子和基体之间可以有更好的应力传递,增强材料的强度和韧性.当无机颗粒的添加量逐渐增多时,其在基体中的分散性变差,易团聚,从而降低了复合材料的力学性能[18].
同时可以看出,纳米颗粒对PUEP复合体系力学性能的提高显著高于微米颗粒,其增加量均在50%以上.这可能是由于纳米粒子尺寸小、比表面积大以及表面的物理和化学缺陷多, 与高分子链产生了物理或化学交联点,能有效提高两者之间的结合力,使高分子链刚性增加,从而导致PUEP体系的拉伸剪切强度显著增加[18-19].
图2为无机颗粒质量分数为2%时所得无机颗粒改性PUEP复合材料的应力应变曲线.从图中可以看出,PUEP复合体系的应力应变曲线呈现典型的韧性断裂,曲线上分别出现了弹性变形区、弹塑性变形区、塑性变形区和屈服点等特征区域,其层间剪切模量
的数值约为574 GPa（应力应变曲线的直线部分的斜率）.
从图中还可以看出,微米颗粒的添加并不改变PUEP复合体系的断裂方式,但使该体系各变形阶段的模量显著下降（2%LMG对应的层间剪切模量的数值约为380 GPa,2%LAL为270 GPa,应力应变曲线直线部分的斜率）,同时弹性变形区域逐渐缩短（应力应变曲线的直线部分）.而纳米颗粒的添加不仅能改变PUEP复合体系的断裂方式,使其由韧性断裂改为类似于陶瓷材料的脆性断裂（应力应变曲线的主要部分）,同时弹性变形区大幅增加,但弹性模量大幅降低（不同组成纳米颗粒添加所得无机颗粒改性PUEP复合材料弹性模量在50～60 GPa之间变化）.
从上述数据可知,对于无机颗粒而言,其在添加量为2%时,可以获得最佳的增韧效果,故而,下一步研究中,无机颗粒的添加量固定为2%,研究材料粒径和组成对复合材料拉伸强度的影响.
2.2颗粒组成对复合材料拉伸强度的影响
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参考文献：
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