張鑒煒，石　剛，江大志

(國防科學技術大學 材料科學與工程系，長沙410073)

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Buckypaper/環(huán)氧復合材料加壓濾滲浸漬法制備工藝研究

張鑒煒，石剛，江大志

(國防科學技術大學 材料科學與工程系，長沙410073)

Buckypaper/聚合物復合材料中碳納米管團聚較少，且含量較高，使得碳納米管的優(yōu)異性能得以更加充分的發(fā)揮，顯著提升了復合材料的各項性能。由于Buckypaper結構緊密，傳統(tǒng)的濾滲浸漬方法不能滿足制備高質量Buckypaper/環(huán)氧復合材料的要求。為提高環(huán)氧樹脂在Buckypaper中的浸漬效率和質量，開發(fā)了Buckypaper的“加壓濾滲”浸漬工藝，將環(huán)氧樹脂溶液通過Buckypaper進行加壓過濾，實現(xiàn)對Buckypaper的有效、均勻和完全浸漬。Buckypaper/環(huán)氧復合材料微觀形貌表征結果表明，“加壓濾滲”浸漬工藝制備的Buckypaper/環(huán)氧復合材料表面質量良好，且環(huán)氧樹脂在Buckypaper內(nèi)部充分浸漬，且分布均勻。與溶液浸漬法制備的Buckypaper/環(huán)氧復合材料對比，“加壓濾滲”浸漬工藝制備的復合材料具有更加優(yōu)異的力學性能，更加充分地發(fā)揮了Buckypaper的增強效率。

Buckypaper；聚合物復合材料；制備工藝；微觀結構；力學性能

碳納米管具有十分優(yōu)異的力學、導電及導熱等性能。單根碳納米管軸向彈性模量可高達1～2TPa[1]，斷裂強度可高達50GPa[2]，碳納米管軸向導電率可高達10000～30000S/cm[3]，而軸向導熱率則高達3000W/(m·K)(多壁碳納米管)及6000W/(m·K)(單壁碳納米管)[4，5]。碳納米管因其眾多優(yōu)異性能，以及大長徑比、低密度、高比表面積等特性受到高性能復合材料研究領域的廣泛關注。將碳納米管添加到聚合物基體中，可以有效地增強聚合物基體的力學、導電及導熱等性能[6-8]，并賦予聚合物復合材料其他特殊功能，如電磁屏蔽、吸波性能、阻燃性能[9]等。碳納米管/聚合物復合材料在從傳感器件、電極材料到高強度結構/功能材料等眾多領域具有廣闊應用前景。

然而，迄今為止，碳納米管/聚合物復合材料領域的主要研究工作集中于在聚合物基體中添加少量碳納米管的復合材料(約0.05%～5%，質量分數(shù)，下同)，其主要原因之一在于碳納米管自身的結構及性能特征。碳納米管由于自身較大比表面積及高表面能，易于在溶液或聚合物基體中形成團聚，在溶液或聚合物基體中分散較差，而碳納米管的分散狀況與其對聚合物基體性能的增強效率密切相關；并且碳納米管在基體中含量的增加使得聚合物基體黏度迅速增加，給傳統(tǒng)的聚合物納米復合材料制備工藝，包括溶液(熔融)共混法、澆鑄法等帶來了巨大的工藝問題[10]，因此聚合物納米復合材料中碳納米管一直保持在較低含量，遠遠低于傳統(tǒng)的纖維增強聚合物復合材料(>50%)，尚未充分發(fā)揮碳納米管自身的優(yōu)異性能。

研究者們開發(fā)出了多種納米材料的宏觀結構體，包括碳納米紙Buckypaper[11]等，解決了聚合物納米復合材料所面臨的上述困境。Buckypaper是碳納米管的多孔網(wǎng)絡結構宏觀集合體，通過將聚合物樹脂基體浸漬到其內(nèi)部，可以制備出高碳納米管含量的聚合物納米復合材料，并且該制備工藝避免了將碳納米管分散到聚合物基體中的工藝過程，顯著降低了工藝難度以及由此帶來的碳納米管團聚[12]。Buckypaper中碳納米管緊密堆積而連續(xù)分布，能夠比傳統(tǒng)分散型碳納米管/聚合物復合材料中分散的碳納米管更加有效地傳遞應力、傳輸電子與聲子等，其復合材料具有更加優(yōu)異的力學、導電及導熱等性能[13]。

現(xiàn)有的研究結果表明，Buckypaper中的碳納米管緊密堆積，管間孔隙較小，在納米到微米量級[14,15]，不利于聚合物分子的浸漬。Coleman等[16]和Frizzell等[17]在研究中也發(fā)現(xiàn)，大分子聚合物聚苯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮等分子量較高，在Buckypaper中不能均勻擴散浸漬，呈多種狀態(tài)分布[18]。碳納米管由于自身結構性質，與聚合物基體間界面作用相對其自身優(yōu)異的力學性能而言較弱，通常由于界面作用限制，碳納米管/聚合物復合材料不能充分發(fā)揮碳納米管的優(yōu)異性能。因此，在制備碳納米管/聚合物復合材料或制備Buckypaper時，通常對碳納米管進行表面化學改性，在其表面引入表面化學官能團，增加碳納米管與溶劑及聚合物基體間的相容性和界面作用[19]。而表面改性后的Buckypaper中，由于聚合物分子與Buckypaper間更強的相容性和界面作用，聚合物分子的浸漬更加困難。為了制備出結構均勻、性能優(yōu)異的Buckypaper/聚合物復合材料，對Buckypaper實現(xiàn)有效地高質量浸漬至關重要。

環(huán)氧樹脂固化后具有優(yōu)良的力學性能、電性能、尺寸穩(wěn)定性以及耐久性、很強的化學穩(wěn)定性等多種特性，因而以其為基體的高性能復合材料在航天器、電子產(chǎn)品等眾多工業(yè)領域中受到廣泛應用。本研究采用了一種分子量約為700 g/mol的雙酚A型環(huán)氧樹脂(Gurit Prime 20LV)，其分子鏈長度及半徑也大致在幾納米范圍內(nèi)，與Buckypaper中碳納米管之間孔隙的大小相當，便于浸漬；并開發(fā)了一種新型的加壓濾滲浸漬工藝制備了Buckypaper/環(huán)氧樹脂復合材料，對不同制備工藝制得的復合材料中環(huán)氧樹脂浸漬情況、力學性能等進行了對比分析。

1　實驗材料與方法

1.1原材料

所使用的碳納米管為由美國Cheap Tubes公司提供的通過等離子體表面改性而含有大量表面胺基官能團的多壁碳納米管，其綜合性能參數(shù)如表1所示。

表1　碳納米管性能參數(shù)Table 1　Parameters of the MWCNTs

等離子體改性處理可以在不同氣源環(huán)境下在碳納米管表面接枝多種活性官能團，包括羥基、羧基、羰基、胺基、氟等，而對碳納米管自身結構幾乎不造成破壞，從而最大限度保留其原有優(yōu)異性能。如圖1中所示為碳納米管的TEM照片，從圖1中可以看出，碳納米管結構均勻、完整、連續(xù)，且具有較大長徑比，雜質含量較低，質量較佳。實驗采用的環(huán)氧樹脂為英國Gurit公司提供的Prime 20LV樹脂及其慢性固化劑(slow hardener)。

圖1　碳納米管透射電鏡照片F(xiàn)ig.1　TEM image of the CNTs

1.2Buckypaper及其環(huán)氧復合材料制備

根據(jù)作者之前研究結果，加壓過濾可以提升Buckypaper的制備效率和性能[20]，因此本工作采用了與之相同的注射過濾裝置制備Buckypaper，其裝置示意及實物圖如圖2所示，其中注射泵為Aladdin AL-100型注射泵，注射過濾器為Supatop注射過濾器，濾膜直徑約30mm，孔徑0.45μm，材質為醋酸纖維素。Buckypaper的加壓過濾制備工藝具體流程與之前采用的相同[20]。為進行對比，本工作還制備了溶液中以及就位化學交聯(lián)的Buckypaper[21]。然后，在制備Buckypaper/環(huán)氧復合材料時，將按照質量比為100∶26進行配比的環(huán)氧/固化劑混合溶液引入加壓過濾裝置，通過制備得到的Buckypaper過濾，在過濾過程中實現(xiàn)對Buckypaper的加壓濾滲浸漬。

圖2　加壓過濾法原理示意(a)及實驗裝置圖(b)Fig.2　Schematic (a) and setup (b) for the pressurized filtration process

1.3性能測試與表征

Buckypaper/環(huán)氧復合材料的表面及斷口微觀形貌由Quanta-200掃描電子顯微鏡SEM表征得到。復合材料拉伸力學性能測試所采用的是Instron 3343微力拉伸測試儀，加載夾頭測量上限為10N，拉伸速率設定為0.1mm/min。Buckypaper/環(huán)氧復合材料拉伸測試試樣為通過裁剪復合材料片體而得到，尺寸約為3mm×25mm，其拉伸試樣實物照片及尺寸示意圖如圖3所示。

圖3　Buckypaper拉伸試樣照片(a)及尺寸示意圖(b)Fig.3　Photo (a) and schematic (b) of the Buckypaper specimens for tensile test

2　結果與討論

2.1Buckypaper中環(huán)氧樹脂浸漬行為

根據(jù)達西定律[22]，要提高聚合物基體在Buckypaper中的浸漬效率，可通過增大Buckypaper滲透率、降低樹脂黏度或增大滲透壓的方法來實現(xiàn)。對于特定的材料體系而言，其滲透率一定，因此主要需要通過后兩種手段來促進樹脂基體的浸漬。

Buckypaper與傳統(tǒng)的纖維氈或纖維布增強體在結構上有相似之處，可近似看做是“短纖維”的“編織體”，因而可以借鑒傳統(tǒng)的復合材料浸漬工藝。傳統(tǒng)的復合材料袋壓或RTM工藝中，通常采用真空輔助來提高聚合物樹脂的浸漬效率，其主要原理是真空引發(fā)的負壓促進了聚合物樹脂在纖維中的流動。但Buckypaper由于致密性，其面內(nèi)滲透率遠低于傳統(tǒng)的纖維增強材料，因此傳統(tǒng)的真空袋壓等工藝無法滿足Buckypaper浸漬的需求。而Buckypaper的厚度較小，如果在厚度方向對Buckypaper進行浸漬，聚合物樹脂的流動路徑將明顯縮短，可以極大地提高聚合物樹脂的浸漬效率?；诖嗽?，Wang等[12]開發(fā)了Buckypaper的“濾滲浸漬工藝”，即采用Buckypaper的過濾法制備裝置將環(huán)氧樹脂的丙酮稀釋溶液通過Buckypaper進行厚度方向的過濾，在過濾過程中達到浸漬Buckypaper的目的。該工藝以真空負壓為驅動力促進Buckypaper的浸漬，顯著提升了Buckypaper的浸漬效率，制備出了具有優(yōu)異性能的Buckypaper/環(huán)氧復合材料。但該工藝仍存在如下問題：一是采用真空過濾裝置，其外加驅動力較小，浸漬效率仍然偏低；二是采用樹脂/丙酮溶液作為浸漬液，容易在復合材料中殘留丙酮，從而影響復合材料整體性能。

針對以上工藝中的優(yōu)點及問題，開發(fā)出了Buckypaper的“加壓濾滲”浸漬工藝。所采用的Prime 20LV環(huán)氧樹脂常溫下(25℃)黏度約為620mPa·s，慢型固化劑黏度約為16mPa·s，其混合溶液(質量比100∶26)黏度約為220mPa·s。環(huán)氧樹脂/固化劑混合溶液完全浸漬Buckypaper所需時間可由式(1)計算(演化自一維達西定律)[12]：

(1)式中：t為浸漬時間；Kz為Buckypaper的厚度方向滲透率；η為樹脂黏度；L為滲流路徑長度(即Buckypaper厚度，約110μm)；P為z向滲透壓。表面含胺基Buckypaper的厚度方向滲透率通過滲透率測試方法測得約為1.53×10-19m2，代入式(1)，可計算得到在室溫真空條件下完全浸漬Buckypaper所需時間約為4h。根據(jù)環(huán)氧樹脂廠商提供的數(shù)據(jù)，環(huán)氧樹脂/慢型固化劑混合溶液室溫下(25℃)凝膠時間約為3h 20min，表明在浸漬過程中環(huán)氧樹脂將部分凝膠，從而增大溶液黏度，增加浸漬難度，并且影響最終復合材料的結構與性能。本工作提出的“加壓濾滲”浸漬工藝，旨在通過提高Buckypaper的z向滲透壓，從而提高環(huán)氧樹脂在Buckypaper中的浸漬效率，在較短時間內(nèi)完成Buckypaper的浸漬，防止浸漬完成前樹脂凝膠。根據(jù)式(1)，當滲透壓為8 ×1.013×105Pa時，環(huán)氧樹脂在Buckypaper中完全浸漬所需時間約為25min。為確保Buckypaper的浸漬效果，控制樹脂流動速率，將Buckypaper的濾滲浸漬時間設置為2h。

2.2Buckypaper/環(huán)氧復合材料微觀形貌

通過“加壓濾滲”浸漬方法對Buckypaper浸漬完成后，將完全浸漬的Buckypaper從過濾器中取出并在60℃條件下固化約16h。圖4(a)為環(huán)氧樹脂完全浸漬的Buckypaper照片，圖4(b)為固化后Buckypaper/環(huán)氧復合材料表面微觀形貌掃描電鏡照片?？梢钥闯?，Buckypaper/環(huán)氧復合材料微觀結構均勻，無明顯的樹脂富集區(qū)，表明浸漬效果良好。

圖4　“加壓濾滲”浸漬法制備的環(huán)氧樹脂浸漬的Buckypaper　(a)典型Buckypaper/環(huán)氧復合材料 樣品照片；(b)復合材料表面微觀結構掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4　Infused Buckypaper/epoxy composites fabricated by the pressurized resin infiltration technology (a)photo of a typical Buckypaper/epoxy composite sample; (b)SEM image of the top surface of the composites

在之前的研究中還發(fā)現(xiàn)[23]，如將Buckypaper浸漬于樹脂的丙酮溶液中，隨著浸漬時間的延長，Buckypaper中浸漬的樹脂含量將隨之增加，但本工作提出的“加壓濾滲”浸漬工藝中，在外界較高的壓強作用下，環(huán)氧樹脂難以在Buckypaper的微觀多孔結構中充分聚集。黏附于Buckypaper中碳納米管周圍的環(huán)氧樹脂將保留于復合材料中，而位于Buckypaper中較大孔隙處的環(huán)氧樹脂則因壓力作用而濾出，因此在圖4(b)中可以觀察到Buckypaper/環(huán)氧復合材料表面分布有較小的孔隙。由于環(huán)氧樹脂自身的導電及導熱等性能較差，維持Buckypaper/環(huán)氧復合材料中的基體含量在較低水平，有利于Buckypaper優(yōu)異的導電和導熱性能發(fā)揮。

圖5　“加壓濾滲”浸漬工藝制備的就位化學交聯(lián)Buckypaper/ 環(huán)氧復合材料斷口微觀形貌SEM照片F(xiàn)ig.5　SEM image of the fracture of the Buckypaper/epoxy composites fabricated by the pressurized infiltration technology

圖5所示為“加壓濾滲”浸漬法制備出的Buckypaper/環(huán)氧復合材料拉伸力學性能測試后的斷口微觀形貌。從圖5可以清晰地看出碳納米管均勻且致密的網(wǎng)絡結構，并且碳納米管網(wǎng)絡結構中均勻浸漬有環(huán)氧樹脂基體，無明顯的貧膠或富膠區(qū)。

2.3Buckypaper/環(huán)氧復合材料力學性能

由于Buckypaper中碳納米管間僅依靠范德華力相互作用，管間作用較弱，為了提升Buckypaper中碳納米管間的相互作用，溶液中化學交聯(lián)以及就位化學交聯(lián)處理方法被分別用來對Buckypaper進行改性。溶液中化學交聯(lián)是通過碳納米管表面官能團與多官能團交聯(lián)化合物間的反應，使得碳納米管在溶液中交聯(lián)，然后將溶液過濾制得溶液中化學交聯(lián)的Buckypaper，而就位化學交聯(lián)則是首先通過溶液過濾的方法制備出Buckypaper，然后將交聯(lián)物溶液通過Buckypaper緩慢過濾，在過濾過程中通過同樣的化學反應使得Buckypaper中的碳納米管之間形成化學交聯(lián)[21]。分別通過溶液浸漬法、真空袋壓法以及“加壓濾滲”浸漬工藝制備了未化學交聯(lián)、溶液中化學交聯(lián)以及就位化學交聯(lián)的Buckypaper/環(huán)氧復合材料。

圖6　三種不同工藝制備的Buckypaper/環(huán)氧復合材料強度對比Fig.6　Strengths of the Buckypaper/epoxy composites fabricated by three different technologies

由于Buckypaper以及環(huán)氧樹脂自身特性，Buckypaper/環(huán)氧復合材料表現(xiàn)出較大的脆性，幾種工藝制備出的Buckypaper/環(huán)氧復合材料的極限應變均為2.0%左右[23]，因此本工作著重研究不同工藝對Buckypaper/環(huán)氧復合材料拉伸強度的影響規(guī)律。圖6所示為三種工藝制備出的三種不同Buckypaper為增強相的環(huán)氧復合材料的強度對比圖(圖中標示為三種不同工藝所對應的復合材料中環(huán)氧樹脂基體的含量范圍)。從圖6可以看出，溶液浸漬法中由于依靠環(huán)氧樹脂自身的自發(fā)擴散行為來浸漬Buckypaper，因此環(huán)氧樹脂含量較低，而真空袋壓法中，由于其表面殘留有環(huán)氧樹脂薄層，因此其樹脂含量較高，且從圖6中還可以看出，真空袋壓法制備出的Buckypaper/環(huán)氧復合材料強度接近于環(huán)氧樹脂基體的強度。“加壓濾滲”浸漬工藝制備出的Buckypaper/環(huán)氧復合材料中樹脂含量較溶液浸漬法高，但由于高壓作用將多余的環(huán)氧樹脂排出，其樹脂含量低于真空袋壓法，但強度卻高于真空袋壓法制備的Buckypaper/環(huán)氧復合材料。

由于三種不同工藝制備的Buckypaper/環(huán)氧復合材料中樹脂含量有較大差別，復合材料強度的大小難以直接反映出Buckypaper對環(huán)氧樹脂的增強作用，因此定義了新的物理量以考察Buckypaper的增強作用。同時，由于真空袋壓法制備的Buckypaper/環(huán)氧復合材料中環(huán)氧樹脂層的存在，本工作僅考察了溶液浸漬法以及“加壓濾滲”浸漬工藝對Buckypaper增強作用的影響。

定義物理量σeff為：

(2)

式中：σcom代表Buckypaper/環(huán)氧復合材料的拉伸強度，ωBP代表Buckypaper/環(huán)氧復合材料中碳納米管的質量分數(shù)，σeff則代表Buckypaper/環(huán)氧復合材料中單位質量分數(shù)Buckypaper所提供的有效強度。

溶液浸漬法以及“加壓濾滲”浸漬工藝制備的未化學交聯(lián)、溶液中化學交聯(lián)以及就位化學交聯(lián)的Buckypaper/環(huán)氧復合材料中單位質量分數(shù)Buckypaper的所提供的有效強度如圖7所示，其中溶液浸漬法對應的是在20%的樹脂/丙酮溶液中浸泡5h之后制備得到的Buckypaper/環(huán)氧復合材料。

圖7　Buckypaper/環(huán)氧復合材料中Buckypaper提供的有效強度對比Fig.7　Enhancing efficiency of Buckypaper for the Buckypaper/ epoxy composites fabricated by two different technologies

從圖7中可以看出，樹脂溶液浸漬法制備出的Buckypaper/環(huán)氧復合材料中Buckypaper增強效率較低，表明該工藝方法浸漬效果較差；而“加壓濾滲”浸漬法制備出的復合材料中Buckypaper增強效率較高，表明該工藝制備出的復合材料中浸漬效果較好，相對于樹脂溶液浸漬法，“加壓濾滲”浸漬法制備出的復合材料中Buckypaper的增強效率分別提升了101%(未化學交聯(lián))、73%(溶液中化學交聯(lián))以及79%(就位化學交聯(lián))。從圖7中還可以看出，在不同體系的環(huán)氧樹脂復合材料中，表面改性處理后(就位化學交聯(lián))的Buckypaper增強效率最高，相對于未表面處理的Buckypaper/環(huán)氧復合材料，兩種工藝制備的就位化學交聯(lián)Buckypaper/環(huán)氧復合材料中Buckypaper的增強效率分別提升了76%(樹脂溶液浸漬法)以及56%(“加壓濾滲”浸漬法)，表明碳納米管表面改性處理顯著提升了Buckypaper與環(huán)氧樹脂基體間的界面應力傳遞能力。

3　結論

(1)為提高環(huán)氧樹脂在Buckypaper中的浸漬效率和浸漬質量，提出了Buckypaper的“加壓濾滲”浸漬工藝，制備出了浸漬完全、結構均勻的Buckypaper/環(huán)氧復合材料。

(2) “加壓濾滲”浸漬工藝制備的Buckypaper/環(huán)氧復合材料表面質量良好，且環(huán)氧樹脂有效地在Buckypaper內(nèi)部浸漬，且分布均勻。

(3)與溶液浸漬法制備的Buckypaper/環(huán)氧復合材料對比，“加壓濾滲”浸漬工藝制備的復合材料具有更加優(yōu)異的力學性能，更加充分地發(fā)揮了Buckypaper的增強效率。

[1]YU M F,LOURIE O,DYER M J,et al. Strength and breaking mechanism of multiwalled carbon nanotubes under tensile load [J]. Science,2000,287(5453): 637-640.

[2]YU M F,FILES B S,AREPALLI S,et al. Tensile loading of ropes of single wall carbon nanotubes and their mechanical properties [J]. Physical Review Letters,2000,84(24): 5552-5555.

[3]THESS A,LEE R,NIKOLAEV P,et al. Crystalline ropes of metallic carbon nanotubes [J]. Science,1996,273(5274): 483-487.

[4]KIM P,SHI L,MAJUMDAR A,et al. Thermal transport measurements of individual multiwalled nanotubes [J]. Physical Review Letters,2001,87(21): 215502.

[5]HONE J,WHITNEY M,PISKOTI C,et al. Thermal conductivity of single-walled carbon nanotubes [J]. Physical Review B,1999,59(4): 2514-2516.

[6]COLEMAN J N,KHAN U,GUN’KO Y K. Mechanical reinforcement of polymers using carbon nanotubes [J]. Advanced Materials,2005,18: 689-706.

[7]BAUHOFER W,KOVACS J Z. A review and analysis of electrical percolation in carbon nanotube polymer composites [J]. Composites Science and Technology,2009,69(10): 1486-1498.

[8]HAN Z D,FINA A. Thermal conductivity of carbon nanotubes and their polymer nanocomposites: a review [J]. Progress in Polymer Science, 2011,36: 914-944.

[9]KNIGHT C C,IP F,ZENG C,et al. A highly efficient fire-retardant nanomaterial based on carbon nanotubes and magnesium hydroxide [J]. Fiber and Materials,2013,37: 91-99.

[10]THOSTENSON E T,LI C,CHOU T W. Nanocomposites in context [J]. Composites Science and Technology,2005,65(3): 491-516.

[11]ENDO M, MURAMTSU H, HAYASHI T, et al. Nanotechnology:“Buckypaper” from coaxial nanotube[J]. Nature, 2005,433(7025):476.

[12]WANG Z,LIANG Z Y,WANG B,et al. Processing and property investigation of single-walled carbon nanotube (SWNT) buckypaper/epoxy resin matrix nanocomposites [J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2004,35(10): 1225-1232.

[13]LOPES P E,VAN HATTUM F,PEREIRA C,et al. High CNT content composites with CNT Buckypaper and epoxy resin matrix: impregnation behaviour composite production and characterization [J]. Composite Structures,2010,92(6): 1291-1298.

[14]HONE J,LLAGUNO M C,BIERCUK M J,et al. Thermal properties of carbon nanotubes and nanotube-based materials [J]. Applied Physics A,2002,74: 339-343.

[15]ZHANG J W,JIANG D Z. Influence of geometries of multi-walled carbon nanotubes on the pore structures of Buckypaper [J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing,2011,43: 469-474.

[16]COLEMAN J N,BLAU W J,DALTON A B,et al. Improving the mechanical properties of single-walled carbon nanotube sheets by intercalation of polymeric adhesives [J]. Applied Physics Letters,2003,82(11): 1682-1684.

[17]FRIZZELL C,COUTINHO D,BALKUS JR K,et al. Reinforcement of macroscopic carbon nanotube structures by polymer intercalation: the role of polymer molecular weight and chain conformation [J]. Physical Review B,2005,72(24): 245420.

[18]TALLURY S S,PASQUINELLI M A. Molecular dynamics simulations of flexible polymer chains wrapping single-walled carbon nanotubes [J]. Journal of Physical Chemistry B,2010,114(12): 4122-4129.

[19]ZHANG J W,JIANG D Z. Interconnected multi-walled carbon nanotubes reinforced polymer-matrix composites [J]. Composites Science and Technology,2011,71(4): 466-470.

[20]ZHANG J W,JIANG D Z,PENG H X. A pressurized filtration technique for fabricating carbon nanotube buckypaper: Structure,mechanical and conductive properties [J]. Microporous and Mesoporous Materials,2014,184: 127-133.

[21]ZHANG J W,JIANG D Z,PENG H,et al. Enhanced mechanical and electrical properties of carbon nanotube buckypaper by in-situ cross-linking [J]. Carbon,2013,63: 125-132.

[22]PARNAS R S,HOWWARD J G,LUCE T L,et al. Permeability characterization part I: a proposed standard reference fabric for permeability [J]. Polymer Composites,1995,16(6): 429-445.

[23]ZHANG J W,JIANG D Z,PENG H X. Two-stage mechanical percolation in the epoxy resin intercalated buckypaper with high mechanical performance [J]. RSC Advances,2013,3:15290-15297.

Pressurized Resin Infiltration Technology for Fabricating Buckypaper/Epoxy Composites

ZHANG Jian-wei,SHI Gang,JIANG Da-zhi

(Department of Materials Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha 410073，China)

Buckypaper/polymer composites can take more advantages of the superior properties of carbon nanotubes (CNTs) and possess enhanced properties than traditional CNT/polymer composites,for the aggregation of CNTs is low and the CNT content is high. However,due to the dense structures of Buckypaper,the traditional infiltration technique cannot meet the requirements for fabricating high quality Buckypaper/polymer composites. A pressurized infiltration technique was developed to enhance the infiltration efficiency and quality. The epoxy solution was pressurized infiltrated through the Buckypaper,resulting in a well infused Buckypaper. The micro-structure characterization indicates that the surface and fracture structures of the Buckypaper/polymer composites are even and uniform. What’s more,Buckypaper/epoxy composites fabricated by the pressurized infiltration technique possess much higher mechanical properties than that fabricated by the solution soaking technique.

Buckypaper；polymer composite；fabrication technique；micro-structure；mechanical property

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.07.001

TB332

A

1001-4381(2016)07-0001-06

國家自然科學基金資助項目(11202231)；國防科技大學預研基金(JC12-01-07)

2014-09-17；

2015-10-25

江大志(1963-)，男，教授，博士生導師，研究方向：納米聚合物基復合材料，聯(lián)系地址：湖南省長沙市開福區(qū)德雅路109號國防科學技術大學材料科學與工程系(410073),E-mail：jiangdz@nudt.edu.cn