【摘要】：納米粒子因其具有許多宏觀材料所不具備的新異物理化學(xué)特性,已成為目前國際上公認(rèn)的能顯著提高樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能及其它功能性的有效手段之一。而納米粒子作為增強(qiáng)體對復(fù)合材料的增強(qiáng)效應(yīng)和功能化效果嚴(yán)重依賴于其在復(fù)合材料基體相或界面相中的分散狀態(tài),因此,對納米粒子在復(fù)合材料中的分散狀態(tài)的進(jìn)行高效表征成為制備高性能復(fù)合材料的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。本文以零維的二氧化硅微球與一維的碳納米管為兩種代表性納米粒子,成功制備了熒光分子FITC標(biāo)記的多壁碳納米管(MWCNTs-FITC)和二氧化硅微球(SiO2-FITC),系統(tǒng)研究了兩種維度納米增強(qiáng)體在復(fù)合材料基體相及界面相中熒光成像性的調(diào)控方法,創(chuàng)新性地運(yùn)用粒子間距概率密度理論建立兩種維度納米增強(qiáng)體在復(fù)合材料基體相及界面相中三維空間大尺度范圍內(nèi)分散狀態(tài)定量表征的科學(xué)方法,最終為樹脂基納米復(fù)合材料的精細(xì)化設(shè)計與可控制備提供理論依據(jù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)�；谠愚D(zhuǎn)移自由基聚合法(ATRP)和熒光標(biāo)記法等方法,成功制備了粒徑為190nm、280nm和540nm的三種熒光二氧化硅微球(SiO2-FITC),采用紅外(FTIR)、熒光光譜(FL)和激光掃描共聚焦(CLSM)等手段對其化學(xué)結(jié)構(gòu)與微觀形貌進(jìn)行系統(tǒng)表征,測試結(jié)果表明二氧化硅微球成功接上了熒光素FITC,于488nm激發(fā)波長下具有良好的熒光性�；跓晒馐聚櫾�,采用激光掃面共聚焦(CLSM)測試,對SiO2-FITC在樹脂基體以及石英纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面區(qū)域中大尺度范圍內(nèi)(200-1000nm)的分散狀態(tài)進(jìn)行了原位表征。研究發(fā)現(xiàn),由于范德華力、物理纏結(jié)/堆疊等相互作用的存在,SiO2-FITC在復(fù)合材料中難以實(shí)現(xiàn)單分散形態(tài),而是以單個納米增強(qiáng)體與其聚集體共存的初始形態(tài)分散于復(fù)合材料體系中。隨著SiO2-FITC粒徑的增長和樹脂基體固化溫度的升高,所產(chǎn)生的團(tuán)聚體尺寸也會隨之增加,使其在樹脂基體中的分散性變差,且在石英纖維復(fù)合材料界面處的擴(kuò)散形態(tài)越不均勻。當(dāng)SiO2-FITC粒徑小于280nm、固化溫度小于40℃時,基于粒子間距概率密度理論計算得到的SiO2-FITC分散度數(shù)值在2.14以上,說明此時SiO2-FITC在樹脂基體中的分散性良好,該結(jié)果與激光掃描共聚焦顯微鏡表征得到的結(jié)論基本一致�；诨瘜W(xué)共沉淀法和熒光標(biāo)記法等方法,成功制備了熒光多壁碳納米管(MWCNTs-FITC),采用了(FTIR)、熒光光譜(FL)和激光掃描共聚焦(CLSM)等手段對其形貌與結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)表征,測試結(jié)果表明多壁碳納米管成功接上熒光素FITC于488nm激發(fā)波長下具有良好的熒光性,在此基礎(chǔ)上,采用激光掃面共聚焦(CLSM)等手段系對MWCNTs-FITC在樹脂基體及石英纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面區(qū)域中大尺度范圍內(nèi)(200-1000nm)的分散狀態(tài)進(jìn)行了原位表征。研究發(fā)現(xiàn),由于MWCNTs-FITC具有較大的長徑比,所以當(dāng)MWCNTs-FITC含量越高,越容易產(chǎn)生纏結(jié),不利于其均勻分散和擴(kuò)散;熱處理溫度越高,MWCNTs-FITC表面的活性基團(tuán)與上漿劑反應(yīng)越充分,使其固定于石英纖維表面越牢固,不利于其擴(kuò)散;而高固化溫度有助于MWCNTs-FITC其從界面向樹脂擴(kuò)散。當(dāng)MWCNTs-FITC含量為0.05 wt.%、固化溫度小于40℃時,基于粒子間距概率密度理論計算得到的MWCNTs-FITC分散度數(shù)值在1.70以上,證明其在樹脂基體中的分散性良好,該結(jié)論與激光掃描共聚焦顯微鏡表征得到的結(jié)論基本一致。綜上所述,本文基于兩種維度納米增強(qiáng)體的幾何形態(tài)等差異,研究了納米增強(qiáng)體的相互作用、微觀熱擴(kuò)散運(yùn)動及樹脂固化熱內(nèi)應(yīng)力場等眾多因素對兩種維度納米增強(qiáng)體的熒光成像性的影響規(guī)律,建立兩種維度納米增強(qiáng)體在復(fù)合材料基體相及界面相中熒光成像性的調(diào)控方法,實(shí)現(xiàn)兩種維度納米增強(qiáng)體分散狀態(tài)動態(tài)演變過程的可視化原位表征,最終為三維空間大尺度范圍下原位表征復(fù)合材料界面微觀狀態(tài)提供了一條可行的科學(xué)途徑。
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1;TQ327
【圖文】：

圖１－１石墨電弧法裝置示意圖逡逑ａｍ邋ｏｆ邋ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ＣＮＴｓ邋ｗｉｔｈ有Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ｐｔ、特點(diǎn)：石墨電弧法制備碳納米管制備過程中溫度要求太高，制備，此工藝產(chǎn)率低。但通過此方法其他制備方法不同［＠。逡逑光燒蝕法）是制備碳納米管的一３逡逑

１．邋Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ邋ｇａｓ邋２邋．邋Ｆ邋ｌｏｗ邋ｍｅｔｅｒ邋３邋．邋Ｃｅｒａｍ邋ｉｃ２邋ｂｏａｔ邋４邋．邋Ｆｕｒｎａｃｅ逡逑５．邋Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ邋６邋．，Ｐｕｒｇｉｎｇ邋ｂｏｔｔｌｅ邋７邋．邋Ｅｘｈａｕｓｔ２邋ｇａｓ邋８邋．邋Ｒｅａｃｔｏｒ逡逑圖１－３催化裂解法裝置示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ＣＮＴｓ邋ｗｉｔｈ邋ｃａｔａｌｙｔｉｃ邋ｃｒａｃｋｉｎｇ邋ｍｅｔｈｏｄ逡逑４逡逑

Ｓｍａｌｌｅｙ等人于１９９６年采用此方法成功制備了單壁碳納米管。通過激光蒸發(fā)逡逑法制備多壁碳納米管，通常選用氬氣作為保護(hù)氣體，懫用高密度的激光來蒸發(fā)石逡逑墨及其催化劑的復(fù)合材料棒而制得。激光蒸發(fā)法設(shè)備在高溫電阻爐中，使用激光逡逑束將石墨靶蒸發(fā)，再通過保護(hù)氣氬氣的流動，將產(chǎn)物沉在低溫的銅柱上。通過調(diào)逡逑節(jié)反應(yīng)溫度、氣體流速和改變催化劑類型可以控制調(diào)整碳管的直徑、產(chǎn)率和質(zhì)量逡逑等［１６１。由于在通常情況下，碳納米管的穩(wěn)定性比富勒烯要差，所以需要外加條件逡逑輔助，比如加強(qiáng)電場、催化劑等，幫助碳納米管的生長。通過大量的實(shí)驗(yàn)證明，逡逑通過激光蒸發(fā)法所制備得到的碳納米管具有較高的質(zhì)量，但是此方法產(chǎn)率低，而逡逑且成本高，故難以推廣普及。逡逑（３）化學(xué)氣相沉積法（ＣＶＤ）逡逑化學(xué)氣相沉積法是在高溫條件下使碳源經(jīng)過納米催化劑顆粒表面時發(fā)生熱逡逑分解而產(chǎn)生碳原子，碳原子再經(jīng)過重新組合在催化劑表面形成碳納米管［１７］。通逡逑常采用浮動裂解法來制備單壁碳納米管，在高溫環(huán)境下，采用催化劑二茂鐵，以逡逑及碳源苯，通過控制用量，來制備碳納米管�；瘜W(xué)氣相沉積法裝置示意圖如圖逡逑１－３所示。此過程中，單壁碳納米管的生長主要受以下幾種因素影響：逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2760960