碳纳米管/石墨烯杂化材料增强增韧机理的研究

For the further development and application of novel carbon materials, the project explores the strengthening and toughening mechanism of multi-walled carbon nanotube/graphene hybrid materials which obtained by the modified method of chemical grafting. The impact of reaction conditions (such as concentration, temperature, time, etc.) on the microstructure, the graft yield and thermal stability of carbon nanotube/graphene hybrid materials will be studied to get the key technology of preparation method of the carbon nanotubes/graphene hybrid material with controlled structure. The study of the hybrid materials on the body toughening behavior of the polymer matrix (epoxy) is conducted, and the influencing factors of the content, microstructure and distribution of the hybrid materials on macro-mechanical properties of epoxy matrix is considered to lead to the strengthening and toughening mechanism. Through theoretical analysis and experimental research methods, combined with the relationship between microstructure and macroscopic mechanical properties of the hybrid materials, the roles of carbon nanotubes and graphene respectively play in the hybrid materials should be clearly defined to reveal the strengthening and toughening mechanism. .This project is the cutting-edge exploration referring to the applications of the carbon nanotube/graphene hybrid materials. The implementation of this project can not only provide new methods and scientific basis for the toughening modification of polymer matrix composites, but also expand the application fields of the carbon nanotubes/graphene hybrid material, and promoting the sustainable development of the new materials industry in China.

为了进一步开发并应用新型碳纳米材料，本项目通过化学接枝方法制备碳纳米管/石墨烯杂化材料，研究其增强增韧机理。研究反应条件（如浓度、温度、时间等）对碳纳米管/石墨烯杂化材料的微观结构、接枝率、热稳定性的影响，掌握制备结构可控的碳纳米管/石墨烯杂化材料的关键技术。研究该杂化材料对聚合物基（环氧树脂）本体增韧行为，研究该杂化材料的含量、微观结构、分布对环氧树脂基体宏观力学性能的影响规律，提出其增强增韧机理。通过理论分析和实验研究方法，结合该杂化材料的微观结构与宏观力学性能之间的关系，进一步研究分析该杂化材料中碳纳米管、石墨烯各自扮演的角色，从而进一步揭示并论证其增强增韧机理。.本项目是针对碳纳米管/石墨烯杂化材料新应用领域的前沿探索，本项目的的实施不仅为聚合物基复合材料的增韧改性提供新的方法和科学依据，还可以扩大碳纳米管、石墨烯复合杂化功能材料的应用领域，同时促进我国新材料产业的可持续发展。

为了进一步开发并应用新型碳纳米材料，本课题选取一维的多壁碳纳米管（MWCNTs）和二维的石墨烯微片（GnPs）作为原材料，提出通过物理和化学方法制备三维碳纳米管/石墨烯杂化材料（MWCNTs/GnPs）的研究思路，成功将碳纳米管和石墨烯微片有机地结合。研究反应条件（如浓度、温度、时间等）对碳纳米管/石墨烯杂化材料的微观结构、接枝率、热稳定性的影响，掌握制备结构可控的碳纳米管/石墨烯杂化材料的关键技术。研究该杂化材料对聚合物基（环氧树脂）本体增韧行为，研究该杂化材料的含量、微观结构、分布对环氧树脂基体宏观力学性能的影响规律，提出其增强增韧机理。. 与物理方法相比，化学方法利用聚丙烯酰氯作为桥梁，不仅增强了反应活性点，而且可控性强，杂化材料的整体性更强，杂化材料表面被一层聚合物所覆盖，使其在基体中的分散性变好。通过化学法得到的聚丙烯酰氯包裹的碳纳米杂化材料结构更加完整，缺陷与无序状态进一步减少。碳纳米管一部分贴附在石墨烯片层的表面，一部分嵌入片层之中，两者方向各异，结构互补。物理方法制备的杂化材料对热稳定性较好，而化学方法制备的杂化材料由于聚合物的存在对热稳定性较低。. 通过对碳纳米管/石墨烯杂化材料对环氧树脂的增强增韧研究发现，在杂化材料添加量很少的情况下（0.1wt%- 0.5wt%），其增强增韧效果非常显著，其中添加0.3wt%的增强增韧效果最好。在纳米效应和化学键理论的作用基础上，杂化材料的三维立体与“胡须”结构使杂化材料与树脂基体的接触点增大，这样更有利于将外力分散，以点为中心产生微裂纹，微裂纹的存在会使更多的冲击能被吸收消耗，达到增强增韧的目的。一方面，主要是由于碳纳米管/石墨烯杂化材料的加入，在碳纳米管和石墨烯充分发挥各自优异的力学性能的基础上，其独特的三维结构又有效地承载了一部分载荷。另一方面，杂化材料的引入会影响基体树脂的固化，提供侧向支持力，增强复合材料层间的滑动摩擦，阻碍了破坏的发生并消耗更多的能量，从而提高了复合材料的层间剪切强度和断裂韧性。. 本项目是针对碳纳米管/石墨烯杂化材料新应用领域的前沿探索，本项目的实施不仅为聚合物基复合材料的增韧改性提供新的方法和科学依据，还可以扩大碳纳米管、石墨烯复合杂化功能材料的应用领域，同时促进我国新材料产业的可持续发展。.