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碳纳米管/连续碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能研究

赵东林乔仁海沈曾民
（北京化工大学可控化学反应科学与技术基础教育部重点实验室，碳纤维及复合材料研
究所北京100029）
摘要：用竖式炉流动法，以二茂铁为催化剂，硫为助催化剂，苯为碳源制备了碳纳米管。
用T300连续碳纤维和多壁碳纳米管为增强体，环氧树脂为基体，制备了单向碳纤维与碳
纳米管增强的树脂基复合材料，并研究了复合材料的力学性能，碳纤维的体积分数为60％。
基体中碳纳米管含量为0时，复合材料的断裂强度为1430Mpa，模量为118GPa；基体中碳
纳米管含量为1wt％时，复合材料的断裂强度为1450MPa，模量为166GPa；基体中碳纳米
管含量为3wt％时，复合材料的断裂强度为1780MPa，模量为164GPa；基体中碳纳米管含
量为5wt％时，复合材料的断裂强度为1120MPa，模量为126GPa。基体中碳纳米管含量为
3wt％时，复合材料的力学性能最好。
关键词：碳纳米管，连续碳纤维，复合材料

1引言
自1991年Iijima发现碳纳米管以来[1]，碳纳米管引起人们的广泛关注，成为化学、物
理和材料等科学领域的研究热点。制备碳纳米管的方法主要有石墨电弧法(又称直流电弧
法)、催化裂解法、激光蒸发石墨棒法、热解聚合物法、火焰法、离子(电子束)辐射法、电
解法、模型碳化等[2-9]，其中以Fe、Co、Ni等金属为催化剂，催化裂解碳氢化合物制备碳
纳米管的方法，使碳纳米管的工业化生产成为可能。碳纳米管多种多样的形状和结构，使
其具有许多潜在的应用价值，如用于材料的增强、一维量子导线、半导体材料、催化剂载
体、分子吸收剂、隧道扫描和原子力显微镜的探头等。碳纳米管具有管径小、长径比大的
特点，直径在几十纳米以内，管的轴向长度为微米至厘米量级，是目前最细的纤维材料，
这种独特的结构使碳纳米管具有优异的力学性能和独特的电学性能。实验表明，单根多层
碳纳米管杨氏模量平均为1.8TPa，弯曲强度达14.2GPa[10]。总之，碳纳米管的制备及其性
能研究已经进行了非常多的研究工作，近年来有关碳纳米管复合材料的研究已成为碳纳米
管应用研究的热点之一。本文用T300连续碳纤维和多壁碳纳米管为增强体，环氧树脂为
基体，制备了连续单向碳纤维与碳纳米管增强的树脂基复合材料，并研究了复合材料的力
学性能。
2实验
2.1多壁碳纳米管的制备
用竖式炉流动法，以二茂铁为催化剂，硫为助催化剂，苯为碳源制备碳纳米管，反应
温度为1100~1200℃。
2.2碳纳米管/连续碳纤维环氧树脂复合材料的制备
按照一定配比，将环氧树脂与固化剂混合均匀，加入一定量的多壁碳纳米管搅拌，并
进行超声分散，抽真空脱泡后注入浸渍槽，把日本东丽公司制造的T300碳纤维浸渍树脂
后，在模具内固化成型，碳纤维的体积含量为60％。
2.3复合材料力学性能测试和微观结构研究

1

在万能材料实验机（INSTRON－1121）上按照GB3356－82进行复合材料弯曲力学性
能测试。用透射电子显微镜（TEM）：JEOLJEM－1200EX型（工作电压100KV）和扫描
电子显微镜（SEM）：STEREOSCAN250MK3型（英国CAMBRIDGE公司）研究碳纳米管
和复合材料的微观结构。
3结果和讨论
3.1碳纳米管/连续碳纤维环氧树脂复合材料的微观结构
图1为制备的多壁碳纳米管透射电镜照片，碳纳米管的外径为20~50纳米，内径10~30
纳米，长度50~1000µm。图2和图3分别为碳纳米管/连续碳纤维增强环氧树脂复合材料的
扫描电镜照片，碳纳米管在复合材料基体中分布比较均匀，在碳纤维与环氧树脂的界面上
也有碳纳米管存在（图3）。
图1碳纳米管的透射电镜照片

100nm
Fig.1TEMimageofcarbonnanotubes
图2复合材料横断面的SEM照片
Fig.2SEMimagesoftransectsofcarbonnanotubeandcarbonfiberreinforcedcomposites
3.2碳纳米管/连续碳纤维环氧树脂复合材料的力学性能
图4为碳纳米管/连续碳纤维环氧树脂复合材料的弯曲断裂强度与模量随环氧树脂基
体中碳纳米管含量的变化关系，从图中可以看出，基体中碳纳米管含量为0时，复合材料
的断裂强度为1430Mpa，模量为118GPa；基体中碳纳米管含量为1wt％时，复合材料的断
裂强度为1450MPa，模量为166GPa；基体中碳纳米管含量为3wt％时，复合材料的断裂强
度为1780MPa，模量为164GPa；基体中碳纳米管含量为5wt％时，复合材料的断裂强度为
1120MPa，模量为126GPa。基体中碳纳米管含量为3wt％时，复合材料的力学性能最好。

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图3