碳纳米管网格协同增韧层合结构的力学性能研究

本项目以先进复合材料层合结构为研究对象，利用化学反应－沉积法制备碳纳米管网格（CNTs无纺布：CNTW），研究其拉伸性能并建立分析模型；制备CNTW层间增韧的碳纤维/环氧树脂层合板，通过实验研究CNTW对层合板低速冲击性能、疲劳性能和高温力学性能等的影响，同时对破坏模式和增韧机理进行深入分析；在实验结果基础上，建立CNTW层间增韧层合板的计算细观力学模型，采用合适的损伤理论，探讨CNTW对层合板损伤性能的影响，修正经典理论模型。通过实验研究和理论分析，初步为该类复合材料建立起力学性能预报的模型和方法，为复合材料设计师们提供复合材料结构件强-韧化设计和制造的新思想和新方法，缩短设计周期，促进碳纳米管增韧增强复合材料的发展和加快进入工程应用阶段。

由于具有优越的力学和导热导电性能，碳纳米管已经引起了材料、力学和生物等领域科学家的广泛关注。近几年，以碳纳米管为研究对象的SCI论文数呈指数级上升。碳纳米管具有广泛的应用前景，当以少量碳纳米管引入聚合物复合材料时，复合材料的力学性能提高显著，并且具有导热导电等功能特性。因此，碳纳米管复合材料必将是新型的轻质、结构和功能一体化复合材料。本项目以碳纳米管网格（巴基纸）协同增强增韧环氧树脂复合材料为研究对象，对其制备工艺，力学性能及破坏失效模式以及增强增韧机理进行了研究。首先，研究制备了多孔巴基纸网格，对网格的力学性能和导电性能进行研究；其次，制备了巴基纸网格/环氧复合材料，对网格的浸润渗透性、复合材料的力学性能及破坏模式和机理进行了研究；再次，制备研究了巴基纸网格层间增强增韧的碳纤维层合复合材料，对复合材料的拉伸、弯曲、压缩、层间剪切、冲击和冲击后压缩，以及层间断裂韧性进行了研究，并探讨了相关的破坏模式。通过研究，制备得到了性能稳定的碳纳米管巴基纸，其尺寸、厚度和密度可以根据需要进行设计，其平均拉伸强度、模量和断裂延伸率可以达到30MPa，2GPa和5％，其电导率可以达到半导体接近导体的范围。并且，环氧树脂对该网格的浸润性能良好，碳纳米管在环氧树脂中的质量百分含量可以达到25％，复合材料的力学性能可以达到350MPa，相比纯环氧树脂提高280MPa。对于层间增强增韧的复合材料，应用该网格的最大优点是可以对容易最先损伤的部位进行局部增强增韧，抑制损伤和破坏的发生。层间添加网格后，可以使层合板碳纤维主导的面内性能提高约3～20％，层间剪切强度提高30％，I型和II型层间断裂韧性提高30～80％，使冲击后压缩强度提高13％。通过本项目的研究，所制备的碳纳米管网格可对层合结构的力学性能进行全面提高，并且具有良好的电导率，为进一步制备结构和功能一体化复合材料提供了有用的实际指导。