磁场诱导环氧树脂/纳米石墨微片有序复合材料及其各向异性研究

论文摘要

纳米石墨微片是一种新型的碳纳米填料。它的平均厚度约为50纳米,径向尺寸0.5-20微米,具有巨大的径厚比,保持了天然石墨良好的导电性及导电各向异性。由于纳米石墨微片具有特有的片层结构及突出的导电各向异性,当其在聚合物中有序排列后,结构上的有序化使复合材料表现出来的相关性能在不同方向上也会有所差异。目前设计制备具有有序化结构的高分子复合材料已成为聚合物基功能复合材料的发展方向之一。本文首次利用磁场对填充在环氧树脂中的纳米石墨微片进行定方向诱导排列,实现了纳米石墨微片与环氧树脂的有序化复合。与机械力诱导相比,纳米石墨微片在基体中的有序程度更高,方向可调性更好,材料具有更加广阔的设计空间。论文主要研究内容为通过外加磁场对填充在环氧树脂中的经过磁改性后的纳米石墨微片进行诱导,使其在基体中定方向取向排列,得到环氧树脂/纳米石墨微片结构有序复合材料,并在此基础上对复合材料表现出来的性能各向异性进行了分析表征。首先采用湿化学共沉淀法,以Fe2+和Fe3+的混合溶液为覆层前驱液,滴加氢氧化钠,使生成的四氧化三铁纳米粒子沉积在纳米石墨微片表面,采用XRD,SEM对产品进行表征。结果表明在大气气氛中,将反应温度控制在30℃,铁盐摩尔比n（Fe2+）/n（Fe3+）=5:1的条件下,在纳米石墨微片表面均匀沉积了一层物相组成单一的α-Fe3O4纳米粒子,改性后的纳米石墨微片表现出良好的软磁特性。在对纳米石墨微片进行磁改性后,将其均匀分散在环氧树脂预聚物中,在体系固化前对其施加磁场。改性后的纳米石墨微片在磁场作用下,在树脂基体中沿石墨002面平行磁场的方向取向排列形成有序结构。通过单方向取向,得到一维有序复合材料;通过双方向取向得到二维有序复合材料。采用XRD与AFM对材料的有序结构进行了表征。纳米石墨微片单方向取向后,一维有序复合薄膜在可见光区的透光性明显增强,复合材料在垂直于纳米石墨微片取向方向上的拉伸强度明显提高。在二维有序复合材料中,磁性纳米石墨微片相互之间平行排列,材料表现出电磁屏蔽各向异性。

论文目录

• 论文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 复合导电高分子材料
• 1.2 复合磁性高分子材料
• 1.3 聚合物基结构有序复合材料
• 1.3.1 电场诱导填料粒子在聚合物中的取向排列
• 1.3.2 磁场诱导填料粒子在聚合物中的取向排列
• 1.3.3 机械力诱导填料粒子在聚合物中的取向排列
• 1.4 石墨及其磁性能研究
• 1.4.1 石墨基本性质
• 1.4.2 膨胀石墨
• 1.4.3 纳米石墨微片
• 1.4.4 石墨磁性能研究概况
• 1.5 聚合物/石墨纳米复合
• 1.5.1 碱金属插层聚合法
• 1.5.2 聚合物/膨胀石墨插层复合法
• 1.5.3 聚合物/纳米石墨微片分散复合法
• 1.6 本论文的研究目的及研究内容
• 第二章 实验方法
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验仪器
• 2.3 纳米石墨微片的制备
• 2.4 纳米石墨微片的磁改性
• 2.5 环氧树脂/纳米石墨微片结构有序复合材料的制备
• 2.5.1 纳米石墨微片在环氧树脂中的分散
• 2.5.2 一维有序复合材料的制备
• 2.5.3 二维有序复合材料的制备
• 2.6 结构表征与性能测试
• 2.6.1 X 射线衍射（XRD）分析
• 2.6.2 扫描电子显微镜（SEM）分析
• 2.6.3 原子力显微镜（AFM）分析
• 2.6.4 振动样品磁强计（VSM）分析
• 2.6.5 一维有序复合薄膜光学性能测试
• 2.6.6 一维有序复合材料力学性能测试
• 2.6.7 二维有序复合材料电磁屏蔽性能测试
• 第三章 有序复合用改性纳米石墨微片的结构与性能表征
• 3.1 概述
• 3.2 纳米石墨微片的磁改性
• 3.3 复合用磁改性纳米石墨微片的物相分析
• 3.4 复合用磁改性纳米石墨微片的形貌分析
• 3.5 复合用磁改性纳米石墨微片的磁响应性
• 3.6 本章小结
• 第四章 环氧树脂/纳米石墨微片一维有序复合及性能研究
• 4.1 概述
• 4.2 纳米石墨微片在环氧树脂中的取向
• 4.3 复合材料一维有序结构的表征
• 4.3.1 XRD 分析
• 4.3.2 AFM 分析
• 4.4 一维有序复合材料的性能
• 4.4.1 光学性能
• 4.4.2 拉伸性能
• 4.5 本章小结
• 第五章 环氧树脂/纳米石墨微片二维有序复合及性能研究
• 5.1 概述
• 5.2 复合材料二维有序结构的表征
• 5.2.1 XRD 分析
• 5.2.2 AFM 分析
• 5.3 二维有序复合材料的电磁屏蔽各向异性
• 5.4 本章小结
• 第六章 主要结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录