摘 要：介紹了碳納米管與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的力學(xué)性能、電性能、摩擦性能及吸波性能等;并結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，探討了該復(fù)合材料制備中存在的問(wèn)題及發(fā)展的方向。
關(guān)鍵詞：碳納米管;環(huán)氧樹(shù)脂;復(fù)合材料
碳納米管(CNTs)是新型的準(zhǔn)一維功能材料，具有大的長(zhǎng)徑比、超高的強(qiáng)度和模量，韌性好，密度低，更兼具特殊的電子學(xué)性質(zhì)。其楊氏模量可達(dá)1.0TPa以上，比一般的碳纖維高一個(gè)數(shù)量級(jí)，大約為鋼的100倍;拉伸強(qiáng)度達(dá)(45±7)GPa，是高強(qiáng)鋼的20倍;CNTs含有豐富的п電子，也可以作為導(dǎo)電聚合物，將其與其他聚合物復(fù)合，以期得到性能更加優(yōu)良的復(fù)合材料。同時(shí)，CNTs還具有很好的柔韌性，最大彎曲角度超過(guò)110°，是復(fù)合材料的優(yōu)秀改性劑和理想的功能、增強(qiáng)材料。其超強(qiáng)的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性可以極大地改善聚合物基復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性，從1991年日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)以來(lái)，一直是世界科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。隨著CNTs產(chǎn)量的擴(kuò)大和質(zhì)量的提高，其應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，其中復(fù)合材料是一個(gè)重要領(lǐng)域。環(huán)氧樹(shù)脂具有良好的機(jī)械性能、電性能和熱性能，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、電子電氣和航空航天等領(lǐng)域。環(huán)氧樹(shù)脂最大的缺點(diǎn)是交聯(lián)固化后質(zhì)脆，耐沖擊和應(yīng)力開(kāi)裂的能力較差。在環(huán)氧樹(shù)脂中引入納米粒子進(jìn)行改性被證明是一種十分有效的方法，已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視。環(huán)氧樹(shù)脂的電絕緣性能好，與其他材料復(fù)合后，一般能保持其良好的電絕緣性能，同時(shí)又能增強(qiáng)復(fù)合材料的黏結(jié)性、耐腐蝕性、加工性等，特別是加入導(dǎo)電材料，可以獲得具有較高介電常數(shù)的復(fù)合材料，還能夠改善其介電損耗。
1 CNTs與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的性能研究
CNTs/聚合物納米復(fù)合材料的研究最初是從切片過(guò)程中CNTs的取向開(kāi)始的。Ajayan等[7]通過(guò)機(jī)械攪拌制備了多壁碳納米管(MWNTs)在環(huán)氧樹(shù)脂基體中的定向排列復(fù)合材料。Jin等[8]同樣研究了MWNTs在環(huán)氧樹(shù)脂基體中定向排列復(fù)合材料的制備，通過(guò)熱塑性聚合物與CNTs分散在氯仿中，然后澆鑄得到復(fù)合材料。在100℃時(shí)，CNTs可以達(dá)到同方向伸展，并且除去外力后在室溫下仍然可以達(dá)到同方向伸展的復(fù)合材料。Bower等通過(guò)X-射線衍射和透射電鏡研究了該材料的同向性和同向程度。
CNTs在增加復(fù)合材料摩擦性能方面也有很大的作用。Zhang L C等[24]研究了CNTs增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂的摩擦性能。研究表明：CNTs相對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂的表面覆蓋面積比例是影響復(fù)合材料摩擦性能的重要因素，當(dāng)這個(gè)值大于25%時(shí)，摩擦率減少了5.5個(gè)因子，高的表面覆蓋面積比例能提高摩擦性能的原因是在摩擦表面暴露的CNTs能夠起到保護(hù)環(huán)氧樹(shù)脂基體的作用。
陳曉紅等采用澆鑄法，利用超聲分散制備了MWNTs/環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料，研究了CNTs的添加量及分散程度對(duì)復(fù)合材料表面形貌和摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明：隨著CNTs加入量的提高(1%~4%)，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，摩擦系數(shù)由0.60降到0.22，磨損率由1.11×10-4mg/(N?m)降為2.22×10-5mg/(N?m)。在CNTs添加量(1%)相同的情況下，其分散程度高的復(fù)合材料的摩擦性能更好。純環(huán)氧樹(shù)脂與45#鋼對(duì)磨時(shí)發(fā)生黏著磨損和疲勞剝落，而由于納米管的增強(qiáng)和自潤(rùn)滑作用，CNTs/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的黏著磨損和疲勞剝落明顯減輕。
王振家等研究了耐腐蝕材料環(huán)氧樹(shù)脂中添加適量的CNTs粉末，以改善環(huán)氧樹(shù)脂涂層的耐磨損性能。結(jié)果表明：環(huán)氧樹(shù)脂基體中添加MWNTs，可以增強(qiáng)材料的摩擦磨損性能。當(dāng)添加10%的CNTs粉末時(shí)，改性環(huán)氧樹(shù)脂涂層的耐磨性能提高到226%。張愛(ài)波研究了MWNTs含量、超聲分散時(shí)間、超聲分散方式對(duì)環(huán)氧復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響，并探討了復(fù)合材料摩擦磨損機(jī)理。結(jié)果表明：MWNTs添加量為1.5%時(shí)，MWNTs/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料比環(huán)氧樹(shù)脂摩擦系數(shù)降低17.8%，磨耗率降低91.7%;加入MWNTs降低了復(fù)合材料黏著磨損與疲勞剝落;延長(zhǎng)超聲波處理時(shí)間及采用高功率超聲波儀器能夠有效提高M(jìn)WNTs分散程度，提高復(fù)合材料摩擦磨損性能。
1.4吸波性能
CNTs特有的螺旋、管狀結(jié)構(gòu)，使其具有不同尋常的電磁波吸收性能。利用CNTs的吸波隱身特性，將其作為吸波劑添加到聚合物中，能制備出兼?zhèn)湮ㄐ阅芎蛢?yōu)越力學(xué)性能的吸波隱身復(fù)合材料，已成為研制新一代吸波隱身材料的重要方向之一。
將不同管徑(10~100 nm)的MWNTs填加到環(huán)氧618與環(huán)氧6360的混合物中，經(jīng)過(guò)攪拌分散、除氣泡、澆鑄，并固化成型，研究其在微波頻段的吸波性能和對(duì)環(huán)氧聚合物力學(xué)性能的影響。采用波導(dǎo)同軸法測(cè)試了復(fù)合材料在3.9~12.4GHz的吸收曲線，并測(cè)試了復(fù)合材料的拉伸性能。結(jié)果表明：不同管徑的MWNTs在微波頻段均有較好的吸收性能。
采用KOH活化處理后的CNTs進(jìn)行化學(xué)鍍鈷，然后均勻分散在環(huán)氧樹(shù)脂中制成CNTs/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。用弓型法測(cè)量在2.0~18.0GHz頻段內(nèi)的雷達(dá)吸波性能。結(jié)果表明：CNTs表面鍍鈷后，其磁性能和導(dǎo)電性能得到了明顯改善，復(fù)合材料的吸收峰成功的移至X波段，吸收峰(R<-10dB)的帶寬明顯拓寬，吸收強(qiáng)度也有所增強(qiáng)。
CNTs/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的制備與性能研究，在制備方法、結(jié)構(gòu)表征與性能研究等方面近年來(lái)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，CNTs改性環(huán)氧樹(shù)脂已經(jīng)成為目前環(huán)氧樹(shù)脂改性的一種重要途徑。目前的研究表明：CNTs/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料具有很好的力學(xué)性能、熱性能、電性能、吸波性能等，已經(jīng)成為聚合物基納米復(fù)合材料中最具潛力的材料之一。但仍存在一些問(wèn)題，主要包括：CNTs在環(huán)氧樹(shù)脂中的部分團(tuán)聚、難以定向排列、純度低、成本高等問(wèn)題[36]。以后的研究應(yīng)朝著一些新的方面發(fā)展：(1)研究影響CNTs/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料性能的因素，包括CNTs的類(lèi)型、純度、長(zhǎng)徑比、缺陷密度、制備方法以及CNTs的添加量、分散狀況和排列情況等;(2)CNTs的功能化，這是提高其在環(huán)氧樹(shù)脂基體分散性和改善其界面黏結(jié)最常用和最有效的方法，經(jīng)過(guò)改性的CNTs對(duì)提高樹(shù)脂的各項(xiàng)性能有很大的影響;(3)添加不同性質(zhì)的化合物，有針對(duì)性地提高材料某一方面的性能，如在CNTs表面鍍上具有磁性的金屬納米粒子，然后再與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合，以提高復(fù)合材料的磁性能和吸波性能;或者加入有機(jī)蒙脫土，發(fā)揮有機(jī)蒙脫土和CNTs對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂協(xié)同增強(qiáng)和增韌的作用(4)將高能超聲、高速剪切分散、表面活性劑、CNTs的化學(xué)修飾和改性以及復(fù)合材料的制備工藝相結(jié)合，提高添加物在環(huán)氧樹(shù)脂中的分散程度和取向性，以制備綜合性能更加優(yōu)良的復(fù)合材料。
