碳纳米管的功能化及其环氧树脂纳米复合材料性能研究

采用长径比不同的羧基功能化碳纳米管(C-MWCNTs)和环氧基功能化碳纳米管(E-MWCNTs)对环氧树脂进行改性。利用扫描电子显微镜表征功能化前后MWCNTs在丙酮中的分散情况以及复合材料冲击断面的微观形貌,利用傅里叶红外光谱仪对功能化前后MWCNTs进行表征,测试了复合材料的力学性能和热性能。结果表明:当C-MWCNTs_(1020)、C-MWCNTs_(4060)掺杂量分别为0.6%和0.8%时,复合材料的冲击强度达到最大值,比未掺杂MWCNTs的环氧树脂分别提高了54.9%和60.8%;在MWCNTs掺杂量相同时,E-MWCNTs_(4060)/EP的力学性能和热性能均优于C-MWCNTs_(4060)/EP。     

功能化掺杂对交联环氧树脂/碳纳米管复合材料热力学性能影响的分子动力学模拟

为探究不同功能化碳纳米管掺杂对环氧树脂/碳纳米管复合材料热力学性能的影响,基于分子动力学模拟方法,建立掺杂功能化碳纳米管(CNT)的环氧树脂(EP)基纳米复合材料:纯环氧树脂模型及分别掺杂未功能化、氨基功能化、羧基功能化和羟基功能化的七种EP/CNT模型(其中,功能化CNT分别接枝4或8个官能团).基于上述模型,在LAMMPS下计算热扩散系数(热导率和比热容)、玻璃转化温度及力学性能.结果表明,掺杂碳纳米管的环氧树脂纳米复合材料的各性能都有不同程度的提升,掺杂接枝8个官能团碳纳米管的EP/CNT性能提升均明显高于掺杂接枝4个相对应官能团EP/CNT的性能.其中,EP/AFCNT8在热导率、热扩散系数及力学性能上提升最明显,整体热导率和热扩散系数分别提升了54.92％和67.30％;EP/HFCNT8具有最大玻璃转化温度,提升幅度为69.47K,EP/AFCNT8提升幅度仅次于EP/HFCNT8,为58.97K.在400K时,EP/CFCNT8具有体积模量和杨氏模量最明显的提升,分别为52.4％、35.5％;因为氨基与环氧基体的交联反应,EP/AFCNT8各模量整体上提升较为明显,可更好地保持良好的力学性能.     

SiO_2@MWNTs的制备及SiO_2@MWNTs/EP复合材料电性能的研究

采用羧基功能化碳纳米管(C-MWNTs)和二氧化硅功能化碳纳米管(SiO_2@MWNTs)对环氧树脂(EP)进行改性,利用扫描电镜(SEM)对碳纳米管在溶剂中的分散情况进行观察,利用透射电镜对MWNTs的包覆情况进行观察,利用傅里叶红外光谱仪对两种功能化的MWNTs进行表征,测试了复合材料的电气强度、介电常数、介质损耗、体积电阻率。结果表明:SiO_2@MWNTs/EP复合材料的体积电阻率较C-MWNTs/EP复合材料的体积电阻率上升了4个数量级;SiO_2@MWNTs/EP和C-MWNTs/EP复合材料的介电常数较EP均降低;SiO_2@MWNTs/EP复合材料的介质损耗较C-MWNTs/EP复合材料降低;当MWNTs的质量分数为0.5%时,SiO_2@MWNTs/EP复合材料的电气强度达到最大值21.5 k V/mm,同时SiO_2@MWNTs/EP复合材料的绝缘性能优于C-MWNTs/EP复合材料。     

环氧树脂纳米复合材料界面及其对电性能影响分析

实验分别采用混酸、环氧大分子、硅烷偶联剂(KH560)对多壁碳纳米管(MWCNTs)表面进行改性制得酸化碳纳米管(C-MWCNTs)、环氧功能化碳纳米管(E-MWCNTs)、硅烷偶联化碳纳米管(Si-MWCNTs),将改性后的MWCNTs和有机化蒙脱土(O-MMT)通过溶液共混的方式与环氧树脂(EP)制备成环氧树脂纳米复合材料。通过分析试样的冲击实验数据、断面形貌以及MWCNTs的红外光谱来确定不同功能化方式处理的MWCNTs对纳米复合材料中界面区域的影响。借鉴界面势垒模型分析界面区域对纳米复合材料电性能的影响。分析结果表明,Si-MWCNTs、E-MWCNTs与环氧树脂的界面结合强度大于C-MWCNTs。当纳米掺杂组分质量分数相同时,Si-MWCNTs/EP中界面区域大于E-MWCNTs/EP中界面区域。当Si-MWCNTs在基体中分散均匀时,随Si-MWCNTs的质量分数的增加,Si-MWCNTs/EP中自由体积增加,键合区域对偶极极化限制性增强,二者共同促进Si-MWCNTs/EP纳米复合材料的介电常数和介质损耗的降低,过渡区域陷阱密度增大,Si-MWCNTs/EP纳米复合材料的击穿强度得到提高。O-MMT的加入减弱了MWCNTs在基体中的团聚,使MWCNTs/O-MMT/EP的电导率降低。     

SiO_2@MWCNTs/EP纳米复合材料性能研究

首先通过溶胶-凝胶法将纳米二氧化硅(Si O_2)包覆在羧基化处理后的多壁碳纳米管(MWCNTs)表面,形成具有核壳结构的Si O_2@MWCNTs纳米尺度增强体,再将Si O_2@MWCNTs核壳结构引入到环氧(EP)酸酐固化体系中制备了Si O_2@MWCNTs/EP复合材料,研究Si O_2@MWCNTs对复合材料力学性能和热性能的影响。结果表明:碳纳米管表面成功包覆了一层厚度约为24 nm的Si O_2,包覆处理后的碳纳米管在环氧树脂中的分散性显著提高;当Si O_2@MWCNTs掺杂量为0.5%和0.7%时,复合材料的冲击强度和弯曲强度分别达到最大值,比未改性的环氧树脂分别提高了101.4%和32.6%,同时复合材料的热稳定性也显著提高,说明包覆Si O_2能有效提高MWCNTs的改性效果。     

碳纳米管、蒙脱土共掺杂环氧树脂复合材料介电性能研究

本文以双酚A型环氧树脂(EP)为基体,利用酸化处理的多壁碳纳米管(C-MWNTs)及有机化蒙脱土(O-MMT)共同对环氧树脂进行改性,并采用溶液共混法制备EP/C-MWNTs/O-MMT复合材料。用FT-IR及SEM对处理前后的碳纳米管及蒙脱土进行表征,并对所制备的复合材料介电性能进行测试,分析并探求碳纳米管掺杂量对EP/C-MWNTs/O-MMT复合材料介电性能的影响。测试结果表明,加入少量C-MWNTs及适量O-MMT的EP/CMWNTs/O-MMT复合材料的体积电阻率与未改性EP相比仅下降了1个数量级,同时其击穿场强稍有提高;纳米组分与环氧树脂基体形成的界面对偶极极化有一定的抑制作用,可降低改性后EP复合材料的介电常数,当O-MMT掺杂量为6.0wt%、C-MWNTs掺杂量为0.3 wt%时复合材料的介电常数可降至2.9,而复合材料的介电损耗并无明显变化。     

EP/MWNTs/OMMT复合材料的电学性能研究

通过对多壁碳纳米管(MWNTs)进行酸化处理,并将MWNTs和有机化蒙脱土(OMMT)两种纳米粒子加入到环氧树脂(EP)中,采用酸酐类固化剂固化,制得了EP/MWNTs/OMMT三相复合材料。对MWNTs酸化前后的微结构进行了观察及对三相复合材料的介电性能进行了测试。结果表明:酸化后的多壁碳纳米管在溶剂中的分散性得到很大的改善,提高了MWNTs在环氧基质中的分散性;随着MWNTs含量的增加,EP/MWNTs/OMMT复合材料的体积电阻率总体呈下降的趋势,介电常数与介质损耗呈现先下降后上升的趋势,OMMT的加入在一定程度上对EP/MWNTs/OMMT复合材料的介电性能起到了积极的作用。     

碳纳米管-玻璃纤维绝缘导热复合材料的制备及性能研究

为研究玻璃纤维、碳纳米管共改性环氧复合材料导热特性,制备了不同含量碳纳米管、玻纤填充的环氧复合材料试样,并测试了其体积电阻率、介电常数、介质损耗正切角、交流短时击穿电压及导热系数,分析了各填充组分对复合材料绝缘及导热特性的影响。实验发现,向环氧基体中添加少量碳纳米管,对其体积电阻的影响很小;但向玻纤增强的环氧树脂中掺杂碳纳米管,则可提高其体积电阻率和击穿电压,降低其介电常数和介质损耗,且当碳纳米管和玻纤的掺杂量分别取0.2wt%和40wt%时,材料绝缘效果最佳,能够满足母线运行绝缘要求。同时,环氧复合材料导热系数与玻纤含量呈正相关特性,单玻纤填充量为40wt%时,其导热系数可达到0.638W/(m?K),而双组分填充时则可升至1.286 W/(m?K)。研究表明,碳纳米管与玻纤在共改性环氧树脂过程中导热存在互助效应,在兼顾环氧复合材料电气绝缘的同时,可进一步改善其导热性能,从而降低母线温升。     

混酸功能化方法对碳纳米管/环氧树脂复合材料电导性能的影响

采用原始多壁碳纳米管(R-MWCNT)通过混酸法制备了羧基功能化多壁碳纳米管(C-MWCNT),然后制得碳纳米管/环氧树脂(MWCNT/EP)复合材料,并研究了其电导性能。结果表明:在一定温度与场强下,多壁碳纳米管含量相同时,C-MWCNT/EP的体积电阻率比R-MWCNT/EP高8~11个数量级;R-MWCNT/EP的渗流阈值约为0.03%,而C-MWCNT/EP未出现渗流现象;R-MWCNT/EP的电流密度-场强(J-E)曲线呈现明显的非线性变化,符合场致发射特征。混酸功能化前后复合材料的介电性能变化较大,该方法主要通过切断碳纳米管并改变碳纳米管与基体的界面性质从而影响复合材料的介电性能。     

环氧接枝多壁碳纳米管改性环氧树脂复合材料的热学与耐电烧蚀性能研究

通过硅烷偶联剂将环氧链段接枝到多壁碳纳米管表面,再将其加入环氧树脂中制备了环氧接枝多壁碳纳米管/环氧树脂纳米复合材料,并对环氧树脂及其复合材料的力学、热学和耐电烧蚀性能进行了研究。结果表明:接枝环氧链段的多壁碳纳米管和树脂基体有较好的界面相容性,环氧接枝多壁碳纳米管的加入使复合材料的拉伸强度和断裂伸长率分别提高了52.98%和72.86%。随着环氧接枝多壁碳纳米管质量分数的增加,复合材料的玻璃化转变温度和热导率均有所提高,在质量分数为0.8%时分别提高了11.15℃和37.57%。较低填料含量下,环氧接枝多壁碳纳米管的加入对环氧复合材料的耐电烧蚀时间影响不大,环氧接枝多壁碳纳米管质量分数为0.05%的复合材料平均耐电烧蚀时间比纯环氧树脂增加了5 s。     

玻璃纤维-碳纳米管共掺杂环氧树脂复合材料绝缘性能的研究

为研究玻璃纤维、碳纳米管共掺杂环氧树脂复合材料的绝缘性能,制备了纤维不同掺杂量和排布方式时的玻璃纤维-碳纳米管环氧树脂复合材料,并分别测试了其介电常数、介质损耗因数及交流短时击穿电压,研究了掺杂工艺参数对复合材料绝缘性能的影响。研究发现,玻璃纤维掺杂量在15~20wt%、纤维束间距在1.0~1.2mm时,复合材料介电常数和介质损耗因数均达到最小值,分别为3.63和0.0303;而其交流短时击穿电压在40wt%掺杂量、1.5mm纤维束间距时,达到最大值39.6k V。与单向排布方式相比,正方形网格排布的复合材料击穿电压更高。研究表明,玻璃纤维的引入改善了碳纳米管-环氧树脂复合材料的绝缘性能,玻璃纤维、碳纳米管与环氧树脂之间的界面效应在复合树脂绝缘性能的改善中发挥主要作用。     

纳米MgO/环氧树脂复合电介质的介电性能研究

将纳米Mg O颗粒与环氧树脂混合后制得不同掺杂量的纳米Mg O/EP复合电介质,采用SEM观察纳米Mg O在环氧树脂中的分散情况,采用DSC测试环氧复合电介质的玻璃化转变温度,并研究了纳米Mg O对环氧树脂介电性能的影响。结果表明:纳米Mg O颗粒在环氧基体中分散均匀,掺杂Mg O可以提高环氧树脂的玻璃化转变温度。随着纳米Mg O掺杂量的增加,介电常数先下降后上升,在掺杂量为1%时介电常数实部达到最小值,掺杂纳米Mg O使环氧树脂的中低频损耗明显降低;复合电介质的电导活化能和体积电阻率均随着纳米掺杂量的增加呈先上升后下降的趋势,在掺杂量为0.1%时电导活化能和体积电阻率达到最大;复合电介质的电气强度随着掺杂量的增加呈先上升后下降的趋势,当掺杂量为1%时电气强度达到最大值,相比纯环氧树脂提高了11.2%。     

不均匀电场下纳米氧化锌改性环氧树脂的绝缘特性

为研究纳米ZnO掺杂对环氧树脂复合材料绝缘特性的影响,以纳米ZnO改性双酚A型环氧树脂材料为研究对象,考察了不同掺杂量下复合材料直流电导、介电常数等绝缘特征参数的变化趋势;并利用针板电极系统,分别对ZnO/环氧和SiO_2/环氧复合材料进行了起始局放电压对比测试。研究发现,当纳米ZnO质量分数15%时,复合材料开始呈现非线性电导特性,复合材料介电常数也发生显著变化,质量分数为30%时其电导非线性系数可达到18.7,介电常数则可上升至5.9。相同电极结构下,纳米ZnO/环氧复合材料的起始局放电压显著高于SiO_2/环氧复合材料,ZnO质量分数为15%时起始局放起始电压达到最大值,分别比无掺杂树脂及纳米SiO_2掺杂树脂提高了33%和22%。研究表明,纳米ZnO粒子的引入显著提高了环氧树脂复合材料的绝缘性能,纳米ZnO粒子的界面效应和非线性电导特性在改善复合树脂绝缘特性方面发挥了主要作用。     

直流GIL绝缘子环氧树脂/碳纳米管复合涂层关键物理性能的分子动力学模拟

盆式绝缘子表面电荷积聚是导致直流气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)无法长期稳定运行的主要原因,对绝缘子表面覆以涂层以改善电场分布是一种有效的措施。由于复合涂层材料制备工作存在重复性和试探性,本文基于分子动力学模拟方法,进行有针对性的纳米颗粒设计与掺杂,建立了纯交联环氧树脂和掺杂了四种碳纳米管(未封端、半封端、全封端和氨基胺功能化)的环氧树脂复合材料模型。基于上述模型,在LAMMPS下计算了介电常数、热扩散系数(热导率、比热容)、力学性能以及玻璃转化温度。结果表明:掺杂了上述四种碳纳米管的环氧树脂复合材料性能均有所提升,但提升程度有所不同。其中,掺杂了氨基胺功能化碳纳米管的复合材料在力学性能、介电常数以及热扩散系数上提升最明显,包括抑制温升对力学性能的破坏,减小介电常数24.8%,提高热扩散系数96.98%;掺杂了全封端碳纳米管的复合材料仅可最大程度提升玻璃转化温度为25.7K,其余关键物理性能提升不明显。综合模拟计算结果,认为选用氨基胺功能化碳纳米管作为环氧树脂的掺杂颗粒更加符合对表面电荷积聚抑制的需求。     

纳米MgO/环氧复合电介质的空间电荷特性研究

环氧复合材料在高温高场等复杂的工况下易积聚空间电荷，造成局部场强畸变，严重时将引发局部放电乃至绝缘击穿。通过纳米MgO颗粒与环氧树脂（EP）混合制备不同掺杂率的纳米MgO/EP复合电介质，采用差示扫描量热分析（DSC）测试环氧复合电介质的玻璃化转变温度；采用热刺激去极化电流法（TSDC）拟合计算环氧复合电介质的陷阱特性；采用电声脉冲法（PEA）测试环氧复合电介质的空间电荷特性。结果表明：纳米MgO颗粒的添加可以提高环氧树脂的玻璃化转变温度，抑制环氧树脂内空间电荷积聚。随着纳米MgO掺杂率的增加，纳米MgO/EP复合电介质的玻璃化转变温度先上升后下降，深陷阱能级和密度均先增大后减小；空间电荷密度先下降后上升，电场畸变的变化趋势与空间电荷的变化趋势相似。当纳米MgO掺杂率为3%时，纳米MgO/EP复合电介质的玻璃化温度达到最大值，抑制空间电荷积聚和场强畸变的能力最好。     

基于分子动力学的芳纶/功能化碳纳米管复合材料体系热力学性能模拟

对位芳纶绝缘纸以其优异的介电性能、力学性能在电气绝缘领域得到广泛应用。为探究不同功能化碳纳米管与对位芳纶共掺的复合材料热力学性能,该文通过分子动力学模拟方法建立了对位芳纶分子体系模型、未功能化碳纳米管以及分别接枝羟基、羧基和氨基官能团的芳纶/功能化碳纳米管复合体系模型。在Materials Studio和LAMMPS中计算了复合材料热导率、玻璃化转变温度、力学性能、结构参数及相对介电常数。结果表明,芳纶复合材料体系各项性能均有不同幅度提升。芳纶/羧基化碳纳米管(PPTA/CNT—COOH)的热导率较掺杂前提升了75.4%,玻璃化转变温度提升了43.29 K。芳纶/羟基化碳纳米管(PPTA/CNT—OH)和芳纶/氨基化碳纳米管(PPTA/CNT—NH₂)的热导率依次提升70.2%和63.2%。在力学性能上,复合材料比掺杂前的弹性模量平均增强30%以上,剪切模量增强15%以上。通过计算体系结构参数,从均方位移、自由体积占比、氢键数量与结合强度等分子层面阐释了材料性能增强的内在机理,最终发现PPTA/CNT—COOH在热力学性能上较其他掺杂体系提升最为明显,且碳纳米管的...     

纳米粘土提高环氧树脂绝缘材料力学性能研究

通过有机阳离子插层处理制备蒙脱石纳米粘土,作为环氧树脂增强材料,添加到环氧树脂中,制成纳米粘土/环氧树脂复合材料。试验结果表明,当纳米粘土加入量为5%时,复合材料的冲击强度和弯曲强度,分别比纯环氧树脂提高303.2%和45.5%,这对拓宽环氧树脂的应用领域具有重要意义。     

微纳掺杂对环氧/氮化硼复合绝缘热导率和击穿特性的影响

采用微米和纳米氮化硼(BN)为填料,制备了微纳掺杂环氧/BN复合绝缘材料,并对BN掺杂总量一定时,环氧/BN复合绝缘热导率和击穿特性随纳米BN掺杂量的变化进行研究.结果表明:当控制BN掺杂总质量分数为20％时,随着纳米BN含量的增加,复合绝缘的热导率略有下降,工频电气强度先上升后下降,厚度为0.2 mm的试样在8 kV、25 kHz高频双极性方波电压下的耐压时间缩短.纯微米BN掺杂的环氧复合材料热导率最大(0.83 W/(m·K)),且在高频双极性方波电压下的耐压时间最长(193 s),分别比纯环氧树脂提高了277％和408％;当纳米BN的质量分数为1％时,环氧复合绝缘的工频电气强度最高,为131 kV/mm,比纯环氧树脂提高了27％.因此,对于微/纳米共掺杂环氧复合体系而言,纳米颗粒的加入主要有助于提高复合材料的工频电气强度,但会使复合材料的热导率下降,缩短其在高频双极性方波电压下的耐压时间.     

环氧树脂/功能化氮化硼纳米片复合电介质的制备及性能研究

采用γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH560）对氮化硼纳米片（BNNS）进行表面改性,然后将其掺入环氧树脂基体中,制备了环氧树脂/功能化氮化硼纳米片（EP/BNNS-KH560）复合材料。对功能化氮化硼纳米片的结构及形貌进行测定,并对EP/BNNS-KH560复合材料的性能进行研究。结果表明：BNNS表面成功接枝K...     

环氧树脂/BN纳米复合材料的制备及性能研究

将偶联剂改性的纳米BN添加到环氧树脂中,制备了环氧树脂/BN纳米复合材料,并研究了纳米BN含量对纳米复合材料热性能、力学性能及电性能的影响。结果表明:随着BN添加量的增加,复合材料的热导率提高,当BN添加量为15%时,热导率为0.301 W/(m.K),是纯环氧树脂热导率的1.394倍。同时复合材料的热稳定性有所提高,当添加量为10%时,热分解温度提高了6.88℃。随着BN添加量的增加,复合材料的冲击强度和介电强度呈先升高后降低的趋势,当BN含量分别为7%和3%时,冲击强度和介电强度达到最大值15.60kJ/m2和28.94 MV/m,分别是纯环氧树脂的1.324倍和1.43倍,表明纳米BN的加入可以提高环氧树脂的综合性能。