納米金剛石銅基復合材料的摩擦磨損性能研究

納米金剛石銅基復合材料的摩擦磨損性能研究（完整版）實用資料(可以直接使用，可編輯完整版實用資料，歡迎下載）

納米金剛石銅基復合材料的摩擦磨損性能研究（完整版）實用資料(可以直接使用，可編輯完整版實用資料，歡迎下載）納米金剛石/銅基復合材料的摩擦磨損性能研究1劉輝,趙乃勤,師春生,喬志軍天津大學材料科學與工程學院,天津(300072E-mail:liuhuibright@yahoo摘要:納米金剛石具有良好的潤滑性及抗磨損性能。將納米金剛石彌散分布到金屬基體中可以得到低摩擦耐磨性良好的金屬基復合材料。本文采用粉末冶金的方法制備納米金剛石彌散分布的銅基復合材料,并對復合材料的微觀組織及摩擦磨損性能進行了研究。在MM—200型磨損試驗機上對塊狀試樣進行油磨實驗,對磨材料為GCr15鋼。結果表明:納米金剛石均勻的彌散分布在銅基體上;隨著納米金剛石含量的增加,銅基復合材料的摩擦磨損性能得到了明顯改善。此外,本文還對納米金剛石/銅基復合材料在油磨過程中的磨損機理進行了探討。關鍵詞:納米金剛石,銅基復合材料,摩擦磨損,粉末冶金1.引言摩擦磨損對于機器的性能及使用壽命具有極大的影響,如何降低機器的摩擦磨損一直是材料工作者研究的重點。由爆炸法合成的納米金剛石具有許多優(yōu)異的性能,比如良好的分散性、高硬度、良好的潤滑性和耐磨性[1-4]。因此納米金剛石被廣泛應用于復合涂層、超精密拋光及醫(yī)學和化學領域[5-7]。其中具有較好應用前景的領域之一就是用于耐磨材料。將納米金剛石彌散分布到金屬、陶瓷及高分子基體中,有望得到具有低摩擦良好耐磨性的高性能復合材料[8]。K.Okada等人對所制得的納米金剛石/鋁基復合材料進行磨損實驗發(fā)現(xiàn)其摩擦系數達到0.02[9]。本文采用粉末冶金的方法制備納米金剛石彌散分布的銅基復合材料。在油磨條件下研究不同納米金剛石含量對于復合材料摩擦磨損性能的影響,并對油磨過程中復合材料的磨損機理進行了探討。2.實驗方法實驗所用的初始原料為平均晶粒尺寸為40μm的電解銅粉和粒徑為5-10nm的納米金剛石粉。銅粉和納米金剛石的形貌如圖1所示。采用機械球磨的方法將納米金剛石粉和銅粉混合均勻。將混合粉放入100ml的球磨罐中并放入直徑為10mm的瑪瑙球,球料比為9:10。納米金剛石的質量百分含量從0到3%。將球磨罐放入行星式球磨機中轉速為1000rpm保持10h。在油壓機用370MPa的壓力將混合粉末壓制成型保壓2min。用管式燒結爐對壓坯進行燒結,在H2保護氣氛下加熱到1000℃保溫100min。然后在室溫下對燒結后試樣在700Mpa下進行復壓,之后對所得試樣進行性能測試。采用光學顯微鏡及透射電子顯微鏡(TEM對納米金剛石/銅基復合材料的微觀組織進行表征。在顯微硬度儀器上對試樣的硬度進行測試,載荷為100g保壓10s。利用MM—200型磨損試驗機上對試樣進行油磨試驗,對磨材料為GCr15軸承鋼,轉速為0.52m/s,時間為1h,所加載荷分別為500N和1000N。滴油速率為40-50滴每分鐘。利用JSM-6700F型掃描電子顯微鏡(SEM對磨損表面進行觀察。1本課題得到天津市自然科學基金(項目編號:05YFJZJC01900的資助。圖1銅粉(a和納米金剛石(b的形貌Fig.1.Morphologiesof(acopperand(bNDpowders.3.結果與討論3.1納米金剛石/銅基復合材料的微觀組織,密度和硬度圖2納米金剛石/銅基復合材料的光學組織圖片:(a純銅(b0.5wt.%ND,(c1wt.%NDand(d3wt.%ND。Fig.2.OpticalmicrographsofND/Cucomposites:(apurecopper,(b0.5wt.%ND,(c1wt.%NDand(d3wt.%ND.圖2為具有不同納米金剛石含量的銅基復合材料的顯微組織圖片。從圖2(b(c中可以觀察到納米金剛石均勻的分散到銅基體中。但當納米金剛石含量達到3%時,與純銅(圖2(a相比,可以在基體中明顯觀察到金剛石的團聚現(xiàn)象。這是由于當納米金剛石含量超過1%時,球磨過程中很難將納米金剛石的團聚體破碎,以至于球磨后大量的金剛石團聚體聚集在銅顆粒的表面,如圖3所示。因此,在粉體經過燒結成型后可以觀察到金剛石團聚體分布在銅顆粒周圍。圖4為金剛石含量0.5%的復合材料的TEM圖片及其EDS分析。由圖發(fā)現(xiàn)納米金剛石顆粒均勻的嵌入到銅基體中。圖5為不同納米金剛石含量的復合材料的相對密度曲線。隨著納米金剛石含量的增加,復合材料的密度逐漸降低。當納米金剛石質量分數超過2%時,復合材料的相對密度低于90%。圖6為不同納米金剛石含量的復合材料的顯微硬度曲線。隨著納米金剛石含量的增加,納米金剛石的硬度明顯提高。金剛石含量為3%時,復合材料的顯微硬度達到130。圖3球磨后混合粉(3%ND的SEM圖片F(xiàn)ig.3.SEMmicrographofmixedpowder(3wt.%NDafterball-millingat1000rpmfor10h.圖40.5wt.%ND/Cu復合材料的TEM圖片及其EDS分析Fig.4.TEMmicrographofthe0.5wt.%ND/CucompositeandEDSanalysisoftheNDparticleND圖5不同納米金剛石含量的銅基復合材料的相對密度曲線Fig.5.RelativedensityofCucompositewithvariousNDcontent.圖6不同納米金剛石含量的銅基復合材料的硬度曲線Fig.6.MicrohardnessofCucompositewithvariousNDcontent.0.00.51.01.52.02.53.08090100110120130VickershardnessNDcontent/wt.%3.2納米金剛石/銅基復合材料的摩擦磨損性能研究圖7不同納米金剛石含量對銅基復合材料摩擦系數的影響Fig.7.EffectofweightfractionofNDonthefrictioncoefficientofCucomposite.圖8不同納米金剛石含量對銅基復合材料磨損體積的影響Fig.8.EffectofweightfractionofNDonthevolumelossofCucomposite.圖7顯示了在油磨試驗中不同納米金剛石含量對于復合材料摩擦系數的影響。隨著納米金剛石質量分數的增加,復合材料的摩擦系數顯著降低。對于載荷為500N質量分數為3%的復合材料的摩擦系數僅為0.01,只相當于純銅(摩擦系數為0.045的20%。此外,當載荷從500N增加到1000N時,復合材料的摩擦系數明顯提高。由圖8可以發(fā)現(xiàn)隨著納米金剛石含量的增加,復合材料的磨損量明顯降低。這表明在有潤滑的條件下,納米金剛石的加入能夠明顯提高銅基復合材料的抗磨損性能。圖9為分別在500N和1000N載荷下純銅及復合材料的磨損表面的SEM圖片。在純0.00.51.01.52.02.53.00.010..030.040.050.060.070.080.09FrictioncoefficientNDcontent/wt.%0.00.51.01.52.02.53.00.7VolumeLoss(mm3NDcontent/wt.%://銅的表面可以明顯的觀察到較深的磨痕犁溝，如圖9（a）（b）所示。隨著納米金剛石含量的增加，復合材料磨損表面的磨痕逐漸變淺，如圖9（c）（d）所示。由圖9（e）（f）可以發(fā)現(xiàn)，當納米金剛石含量達到3%時，磨損表面的犁痕基本消失并且變得相對平滑。以上結果表明，與純銅相比，含有納米金剛石顆粒的銅基復合材料顯示出良好的耐摩擦磨損性能。其主要原因在于，在滑動磨損過程中，由于納米金剛石的高硬度使其在滑動接觸面上具有良好的承載能力。隨著納米金剛石含量的增加，金剛石的承載能力增強。在巨大的正壓力下，納米金剛石的團聚體被破碎并且納米粒子被擠入銅基體的空隙中。結果在復合材料的表面形成了一層納米尺寸厚度的薄膜。這種硬膜的形成能夠有效的降低基體的摩擦磨損。而且隨著納米金剛石含量的增加，使得這層超硬膜具有較好的連續(xù)性和均勻性。此外，由于潤滑油的存在降低了摩擦面之間劇烈的沖擊及接觸面的溫度，從而很好的保護了這層超硬膜。換而言之，在油潤滑的條件下有利于納米金剛石耐磨性的發(fā)揮。因此，在油磨條件下，隨著金剛石含量的增加，銅基復合材料的摩擦磨損性能得到明顯提高。4.結論1.采用粉末冶金法制備了不同金剛石含量的銅基復合材料。納米金剛石均勻的彌散分布在銅基體中；2.隨著納米金剛石含量的增加，復合材料的顯微硬度明顯提高；3.油磨試驗表明隨著納米金剛石含量的增加，銅基復合材料的摩擦磨損性能得到明顯改善。在油潤滑的條件下有利于納米金剛石耐磨性的發(fā)揮。-6-://(a(b(c(d(e(f圖9復合材料的磨損表面：(a純銅-500N,(b純銅-1000N,(c1%ND-500N,(d1%ND-1000N,(e3%ND-500Nand(f3%ND-1000N。Fig.9.WearsurfaceofCucomposite:(apurecopperat500N,(bpurecopperat1000N,(c1%NDat500N,(d1%NDat1000N,(e3%NDat500Nand(f3%NDat1000N.-7-://參考文獻[1]H.Makita.Ultrahighparticledensityseedingwithnanocrystaldiamondparticles[J].Newdiamond,1996,12:8-13.[2]M.Mayuzuml,R.Imai.in:ProceedingsoftheABTEC’92,Tokyo,1992,pp.732-736.[3]H.Makita.Reducingthegrainsizeforfabricationofnanocrystallinediamondfilms[J].SurfaceTechnology,1996,47:914-918.[4]Z.J.Qiao,J.J.Li,N.Q.Zhao.Graphitizationandmicrostructuretransformationofnanodiamondtoonion-likecarbon[J].ScriptaMaterialia,2006,54:225-229.[5]G.Post,etal.Technicalmodelinginintegratedriskassessmentofchemicalinstallations[J].JournalofAppliedChemical,2002,75:755-759.[6]G.P.Bogatyreva,etal.in:Y.Gogotsi,I.Uvarova(Eds..KluwerAcademicPublishers,Dordrecht,2002,pp.111.[7]G.P.Bogatyreva,M.A.Marinich,V.L.Gvyazdovskaya.Diamond-anadsorbentofanewtype[J].DiamondRelatedMaterial,2000,9:2002-2005.[8]K.Hanada,M.Mayuzuml,N.Nakayama.ProcessingandcharacterizationofclusterdiamonddispersedAl-Si-Cu-Mgcomposite[J].JournalofMaterialProcessingTechnology,2001,119:216-221.[9]K.Okada,I.Sekigut.FrictionandwearpropertiesofnanodiamonddiapersedAl-basedcomposite[J].JournalofJapanesePrecisionEngineering,1995,61(2:171-175.TribologicalbehaviorofnanodiamonddispersedCucompositesLiuHui,ZhaoNaiqin,ShiChunsheng,QiaoZhijunSchoolofMaterialsScienceandEngineering,TianjinUniversity,Tianjin(300072AbstractNanodiamond(NDexhibitsexcellentlubricationandgoodwearresistanceproperties.Inthepresentstudy,NDdispersedcoppercompositeswerefabricatedbypowdermetallurgymethod.ThemicrostructuresandtribologicalpropertiesunderoilslidingconditionsoftheCucompositeswithvariousNDcontentwereinvestigated.TheoilslidingtestswerecarriedoutwithGCr15steelringrotatingagainstblock-shapedsamples.TheresultsshowedthattheNDparticleswerehomogeneouslydispersedinthecoppermatrix.Theanti-frictionandwearresistanceoftheCucompositesweredramaticallyimprovedwithincreasingtheweightfractionsofND.Besides,themechanismofNDonreducingthefrictionandwearofthecompositeswasdiscussed.Keywords:Nanodiamond(ND;Coppermatrixcomposite;Tribologicalproperties;Powdermetallurgy-8-第23卷第6期Vol.23No.6材料科學與工程學報JournalofMaterialsScience&Engineering總第98期Dec.2005文章編號:167322812(20050620933206收稿日期:2005202110;修訂日期:2005203216基金項目:教育部優(yōu)秀青年教師資助計劃項目([2002]04和西南交通大學?；鹳Y助項目(2001B06作者簡介:許荔(1981-,女,江西南昌人,博士研究生,目前主要從事復合材料力學及結構分析方面研究。納米復合材料特性分析及界面研究許荔,江曉禹(西南交通大學應用力學與工程系,四川成都610031【摘要】概述了納米顆粒增強復合材料的特性與制備方法。并對于分析納米復合材料的主要觀測手段SEM,M和HREM分別舉例進行分析。分析表明,對于增強顆粒與基體之間的界面進行分析是分析納米顆粒增強復合材料?！娟P鍵詞】納米顆粒增強;納米復合材料;界面;SEM;TEM;HREM中圖分類號:TB33文獻標識碼:APropertiesAnalysisandInterfaceResearchofNano2XULi,(DepartmentofAppliedMechanics,Chengdu610031,China【Abstract】methodsofnano2particlereinforcedcompositeswereintroducedandanalyzed.AndseveralexamplesontechniquesSEM,TEMandHREMofnano2compositesweregivenandanalyzedrespectively.Itcanbeconcludedthattheanalysisofinterfacebetweenreinforcingparticlesandmatrixisbasicandcriticalintheanalysisaboutmechanicspropertiesofnano2particlereinforcedcomposites.【Keywords】nano2particlereinforcement;nano2composite;interface;SEM;TEM;HREM1引言數百萬年前,大自然就已經制造出優(yōu)異的納米復合材料,諸如骨骼、珠母貝殼等。但是,直到最近的十年,科學家們才開始認識到納米材料具有奇特的性能,并努力探索納米材料在各方面的應用。用納米材料與其它基體材料(如樹脂、橡膠、陶瓷和金屬制成的納米復合材料具有獨特的性能[1-3],現(xiàn)在已經被世界各國有關人員所關注。納米顆粒增強復合材料的優(yōu)異性,如質量上的減少,增強的機械性能,特別是高硬度和高強度,高抗腐蝕性和改進的抗磨損性等使其成為研究熱點。材料的宏觀力學行為是由其微觀結構決定的,與其微觀力學行為也是密切相關的,然而,目前有關納米顆粒與基體之間的界面研究的報道很少,所以界面的研究對于納米顆粒增強復合材料的力學性能的研究極具推動作用。2材料特性納米顆粒材料添加到其他材料中,根據不同的需要選擇適當的材料和添加量可以達到材料改性的目的,應用前景廣闊。因為復合材料中增強體的大小尺寸降到納米數量級,會給復合材料引入新的材料性能。首先,納米粒子本身具有量子尺寸效應,小尺寸效應,表面界面效應和宏觀量子隧道效應等特殊的材料特性,這會給復合材料帶來光、電、熱、力學等方面的奇異特性;其次,納米顆粒增強復合材料所具有的特殊結構,高濃度界面,特殊界面結構,巨大的表面能等等必然會大大影響復合材料的宏觀性能。2.1良好的力學性質納米顆粒增強復合材料具有極佳的力學性能[4],如高強、高硬和良好的塑性等。納米氧化鋁添加到氧化鋁陶瓷中,顯著地起到增強和增韌作用。Al2O3基體中含有納米級SiC晶粒的陶瓷基復合材料,其強度可從單相Al2O3陶瓷的300~400MPa提高到1500MPa左右,材料的斷裂性能提高幅度也在40%以上[5]?？梢?納米顆粒對于解決陶瓷材料的脆性問題行之有效[6],從而為提高陶瓷材料的可靠性、擴大陶瓷材料的應用開辟了一條新的途徑。納米Al2O3彌散到透明的玻璃中既不影響透明度又提高了高溫沖擊韌性,加入金屬或合金中可以使晶粒細化,改善材料力學性質。納米陶瓷微粒能顯著改善其填充聚醚醚酮(PEEK的摩擦學性能[7-8]。納米顆粒增強金屬基復合材料具有高的高溫強度[9]。2.2熱學性能的改善高居里點、低電阻的PTC陶瓷材料,添加少量納米二氧化銑可以降低燒結溫度,致密速度快,減少Pb的揮發(fā)量,大大改善了PTC陶瓷的性能。三氧化二鋁陶瓷基板材料加入3%~5%的27nm納米Al2O3,熱穩(wěn)定性提高了2~3倍,熱導系數提高10%~15%。納米陶瓷也可以改善炭材料的高溫抗氧化性能,實現(xiàn)自愈合抗氧化[10]。2.3電學性能的改善納米顆粒尺寸越小,電子平均自由程越短,偏離理想周期場越嚴重,使得其導電性特殊。當晶粒尺寸達到納米量級時,金屬會顯示非金屬特征。尺度為60nm的氧化鋅壓敏電阻、非線性閥值電壓為100VΠcm,而4mm的氧化鋅,閥值電壓為4kVΠcm。如果添加少量的納米材料,可以將閥值電壓調制在100V~30kV之間,根據需要設計具有不同閥值電壓的新型納米氧化鋅壓敏電阻。納米材料添加到塑料中使其抗老化能力增強,壽命提高,添加到橡膠可以提高介電和耐磨特性。納米Al2O3磨性大大提高,2、Cr2、Fe2O3、ZnO,和介電損耗大大優(yōu)于常規(guī)材料的復合材料[11]。2.4光學性能的改善金屬材料的屈服強度和硬度隨著晶粒尺寸效應對納米材料的光學特性有很大的影響。如它的紅外吸收譜帶展寬,吸收譜中的精細結構消失,中紅外有很強的光吸收能力。極性納米PbTiO3粒子加入環(huán)氧樹脂中出現(xiàn)了雙折射效應。納米氧化物粒子與高聚物或其他材料復合具有良好的微波吸收系數。半導體微粒(GaAs,GeSi加入玻璃中或有機高聚物中提高了三階非線性系數。納米微粒Al2O3加入有機玻璃(PmmA中表現(xiàn)良好的寬頻帶紅外吸收性能[11]。2.5其他方面納米材料與常規(guī)材料的在磁結構方面的巨大差異,必然在磁學性能上表現(xiàn)出來。當晶粒尺寸減小到臨界尺寸時,常規(guī)的鐵磁性材料會轉變?yōu)轫槾判?甚至處于超順磁狀態(tài)。納米材料的比表面積Π體積很大,因此它具有相當高的化學活性,在催化、敏感和響應等性能方面顯得尤為突出。將納米材料添加到復合材料中,必定會給其引入磁學、化學等方面的優(yōu)異性能。3制備方法納米顆粒增強復合材料的種類繁多,其制備方法也各不相同,同一種復合材料可以采用幾種方法制備,用一種方法也可以制備幾種不同的復合材料。制備方法大致可以分成兩類,物理復合法和化學復合法。3.1物理復合法物理復合法多指機械復合法,通常是利用機械剪切、擠壓等作用使粒子復合在一起。根據其所用復合設備的不同大致可以分為機械研磨法,干式沖擊法,高能球磨法,共混法,高溫蒸發(fā)法和異相凝聚法等等。下面簡單介紹機械研磨法和高能球磨法。機械研磨法能升級到大產量和適用于很多種材料。最初的想法是只能適用BBC和HCP金屬,FCC金屬近來已經成為這個領域上的研究熱點。日本國防學院采用高能球磨法把納米粉Y2O3復合到Co2Ni2Zr合金中,它們在合金中呈彌散分布,使得Co2Ni2Zr合金的矯頑力提高約兩個數量級。用高能球磨法得到的Cu2納米MgO或Cu2納米CaO復合材料,氧化物微粒均勻分布在Cu基體中,復合材料的電導率與Cu基本一樣,但強度大大提高。機械合金化法工藝簡單,成本低,基體成分不受限制,但易產生雜質,氧化及應力。高能球磨法是利用球磨機的轉動或振動,使硬球對原料進行強烈的撞擊、研磨和攪拌,把粉體粉碎為納米級微粒的方法。如果將兩種或兩種以上金屬粉體同時放入球磨機,、壓合、碾碎、再,,而不是用。所以高能球磨法也屬于機械化學法。3.2化學復合法化學復合法是指通過液相或氣相反應來制備納米復合材料的方法?；瘜W復合法較多,現(xiàn)在運用較廣的有溶膠2凝膠法、非晶晶化法、沉淀法、氣相沉淀法等。下面簡單介紹溶膠2凝膠法和非晶晶化法。采用溶膠2凝膠法合成納米復合材料是制備納米復合材料最早的方法之一,近年來發(fā)展迅速,如CdSΠ玻璃,AgΠSiO2復合材料等。西安交大電子材料研究所采用溶膠2凝膠工藝制備了大量多組分鐵電相凝膠玻璃,成功地在凝膠玻璃中生長出PbTiO3,Pb(Zr,TiO3,BaTiO3,KTiPO4等鐵電微晶[11]。非晶晶化法可以通過非晶態(tài)固體的晶化動力學過程來獲得納米晶合金,也可以獲得納米復合材料。納米級顆?；蚓ы殢浬⒎植荚诹硪淮志Щ蚣{米級亞晶粒組成的粗晶基體內。非晶晶化法不僅避免了污染問題,而且基體與增強相界面結合牢固。加入Nd后Ti80Si20非晶態(tài)合金的晶化初期析出相,以及完全晶化后,α2Ti顆粒彌散分布于Ti3Si基體中形成納米復合材料。用非晶晶化法在原非晶基體上析出大量納米尺度磁性粒子,使材料磁導率獲得提高也是磁性納米復合材料制備的重要方法之一。4檢測手段及結果討論納米材料處在0.1~100nm尺度范圍內,用肉眼和普通顯微鏡難以觀測其微觀結構。SEM、TEM和HREM通?？梢员挥脕碛^測和分析納米復合材料的微觀結構。EDX可以被用來進行成分測定和對顆粒大小進行定量分析。4.1SEM圖文獻[12]對金屬基復合材料AA6061Π(Al2O3p和未增強的AA6061合金做了對比的力學性能的研究。顆粒在基?439?材料科學與工程學報2005年12月體中分布均勻,由于基體與顆粒之間的差的結合力,增強的復合材料的Rp和Rm值低于基體的相應值。圖1中①處反應物經測定成分是MgAl2O4,從圖中可以明顯看出界面的結合程度很差甚至出現(xiàn)斷裂。圖1AA6061Π(Al2O3pSEM圖Fig.1AA6061Π(Al2O3pSEM圖3(aAl220%SiC界面SEM圖;(bAl220%Al2O3界面SEM圖;(cAl213%B4C界面SEM圖Fig.3SEMmicrographsshowingtheinterfacesof(aAl220vol.%SiC;(bAl220vol.%Al2O3;(cAl213vol.%B4C.圖2(a銀增強玻璃離聚物SEM圖;(bAgSn增強玻璃離聚物SEM圖;(cAgSnZnAl合金增強玻璃離聚物SEM圖Fig.2SEMmicrographsof(asilver2reinforcedglassionomer;(bAgSnalloy2reinforcedglassionomer;(cAgSnZnAlalloy2reinforcedglassionomer文獻[13]S聚物(MM和EX行了比較。由圖2,在中每個合金顆粒周圍都有環(huán)形的反應層,而在KS和MM中,卻沒有這樣的反應層,而是有缺口存在于顆粒和基體之間。正因為在KS和MM中界面結合力的缺少,金屬顆粒的添加并沒有提高基體的強度和耐用性。因此可以知道提高基體與增強相之間的界面結合力是改善顆粒增強復合材料力學性能的最佳途徑。文獻[14]對B4C,SiC和Al2O3增強的三種Al基復合材料的微結構和界面特性做了對比研究。三種顆粒在Al基中分散均勻,有少量的團聚,Al2B4C中顆粒分散情況好于Al2SiC和Al2Al2O3。得出結論,B4C增強Al基復合材料的界面結合好于其他兩種復合材料的界面。對比圖3中的三個圖,從圖(a中可以看出界面之間存在明顯的空隙,而從圖3(c中可以看出B4C顆粒與Al基體結合良好。4.2TEM圖文獻[15]對SiCpΠAl復合材料的微結構進行了TEM研究,由圖4可以觀察到,SiC顆粒均勻分布在Al基體中并且結合完好,但是每個SiC顆粒周圍都被反應層包裹著。圖4SiCpΠAl復合材料界面TEM圖Fig.4TEMmicrographshowinginterfaceofSiCpΠAl?539?第23卷第6期許荔,等.納米復合材料特性分析及界面研究aSg;(bp界面;(SpΠMgAl8界面;(dSiCpΠMgRE3界面的TEM圖Fig.5theinterfacesof(aSiCpΠMg;(bSiCpΠMgZn6;(cSiCpΠMgAl8;(dSiCpΠMgRE3.圖6(a蠕變之前和(b蠕變之后Al2O3TEM圖;(c蠕變之前和(d蠕變之后SiC顆粒增強Al2O3復合材料TEM圖Fig.6TEMmicrographsshowing(atheAl2O3microstructurepriortocreep;(btheAl2O3microstructureaftercreep;(ctheSiC2reinforcedAl2O3microstructurepriortocreep;(dtheSiC2reinforcedAl2O3microstructureaftercreep.文獻[16]對SiCpΠMg界面、SiCpΠMgZn6界面、SiCpΠMgAl8界面和SiCpΠMgRE3(RE:稀土元素界面進行了TEM分析。從圖5中可以觀察到,SiCpΠMgZn6界面、SiCpΠMgAl8界面和SiCpΠMgRE3界面結合與SiCpΠMg界面的結合一樣的好,但是明顯看到SiCpΠMgZn6界面、SiCpΠMgAl8界面和SiCpΠMgRE3界面之間有反應層的存在,Mg基體中的雜質的引入對于SiCp顆粒增強鎂基復合材料的界面結合能力的影響很大。文獻[17]將完好聚集在一起的顆粒狀Al2O3材料與納米SiC顆粒增強Al2O3復合材料的蠕變行為進行了比較分析。納米SiC顆粒在Al2O3基體中分散均勻,SiC顆粒的引入減少了顆粒邊界的滑移,對于蠕變有黏彈性變形作出了貢獻,由于斷層的運動允許材料進行塑性變形使得顆粒邊界強度得到了提高。對比圖6中的(b和(d,明顯觀察到在圖(b中,顆粒之間存在大量的空隙,界面結合很差,而在圖?639?材料科學與工程學報2005年12月(d中,并無空隙存在,界面結合完好。4.3HREM圖高解析電子顯微鏡HREM(HighResolutionElectronMicroscope,可觀察物體的形貌、測量尺寸、分析材料內部的微細組織、缺陷及晶體結構[18-19]。適用于固體納米材料、半導體電子材料、陶瓷礦物材料、金屬材料、生物醫(yī)學材料、高分子材料等。文獻[20]對氧化的SiC顆粒增強的鋁合金復合材料的界面進行了分析。SiC顆粒在基體中分散均勻7中可以觀察到,在SiC40~50nm的SiO2層,并且SiO2層與SiC顆粒、2021Al合金基體都結合得很好。圖7SiCΠAl復合材料界面HREM圖Fig.7HREMmicrographshowingtheinterfaceofSiCΠAl.文獻[21]對SiCp增強Al(6061金屬基復合材料的結構和界面組成進行了研究。SiC顆粒在基體中均勻分布,從圖8中可以看到,SiC增強顆粒與基體很好地結合,界面如圖中的多箭頭所示非常干凈、平滑,并且呈直線狀。文獻[22]對納米SiC顆粒增強的Si3N4基復合材料進行了機械性能和微結構分析。由圖9可以看到,在邊界上的SiC顆粒直接與Si3N4基體結合并沒有任何象玻璃樣的層狀圖8SiC顆粒和基體界面的HREM圖Fig.8HREMmicrographshowingtheinterfacebetweenSiCparticleandthe出現(xiàn),,這。5結束語眾所周知,材料的宏觀力學行為是由其微觀結構決定的,與其微觀力學行為也是密切相關的。然而材料的力學行為一直是材料工作者關注的熱點。因此,探討復合材料的微觀力學行為也就具有十分重要的意義。在顆粒增強復合材料中,界面的結合對于應力由基體傳遞給增強體起著關鍵作用。界面的性質是決定復合材料力學性質的關鍵,界面的結構和形態(tài)對材料的性能影響很大。隨著復合材料向納米層次推進,界面的重要性更加突出,成為當前十分活躍的研究領域[23-24]。納米復合材料的界面作用包括共價鍵、離子鍵、配位鍵、氫鍵、靜電作用、親水疏水平衡及范德華力等。界面作用機理主要有以下幾種機理[25-26]:(1界面浸潤機理;(2化學鍵理論;(3物理吸附理論;(4變形層理論;(5拘束層理論;(6擴散層理論;(7減弱界圖9SiC顆粒和Si3N4基體界面的HREM圖Fig.9HREMmicrographshowingtheinterfacebetweenSiCparticlesandSi3N4matrix.?739?第23卷第6期許荔,等.納米復合材料特性分析及界面研究938··材料科學與工程學報2005年12月面局部應力作用理論.由于納米顆粒增強復合材料界面的特殊性及復雜性,現(xiàn)階段還沒有形成一套關于界面的分析理論.但是由于界面的重要性及其必要性,對于界面的分析有著很重要的意義.相信隨著研究的不斷深入,納米顆粒增強復合材料的界面研究必將有突破性的進展.[14]KMShorowordi,TLaoui,ASMAHaseeb,etal.MicrostructureandinterfacecharacteristicsofB4C,SiCandAl2O3reinforcedAlmatrixcomposites:acomparativestudy[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2003,142:738～743.[15]PLuo,YGSong,SQZhang.ATEMstudyofthemicrostructureofZSiCp∏compositepreparedbypressurelessinfiltrationmethod[J].AlScriptaMaterialia,2001,45:1183～1189.Society,1999,19:475～2485.Engineering,2001,A303:46～53.Deock2Soo,HwangKwang2Taek,KimChang2Sam.參考文獻[1]馮培忠,強穎懷.SiC顆粒增強金屬基復合材料的研究進展[J].金屬材料研究,2003,29(2:22～28.[2]吳利英,高建軍,靳武剛.金屬基復合材料的發(fā)展及應用[J].[16]KNBraszczy′,LLity′,AZyska,etal.TEManalysisofthenskanskainterfacesbetweenthecomponentsinmagnesiummatrixcompositesreinforcedwithSiCparticles[J].MaterialsChemistryandPhysics,2003,81:326～328.[17]DescampsDO'PSullivan,MPoorteman,etal.CreepBehaviourofAl2O32SiCNanocomposites[J].JournaloftheEuropeanCeramicinterfacestructurestudiesofSiCp2reinforcedAl(6061metal2matrixcomposites[J].MaterialsScienceandEngineering,1998,A254:219～226.427.Fabrication,mechanicalpropertiesandmicrostructureanalysisof化工新型材料,2002,30(10:32～35.[3]郭小龍,陳沙鷗,戚憑.納米顆粒對陶瓷材料力學性能的影響[J].青島大學學報,2000,13(2:17～21.[4]SUIXian2dong,LUOCheng2ping,etal.TheFabricationandPropertiesofParticleReinforcedCastMetalMatrixComposites[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,1997,63:426～431.[5]IwasakiH,MasurnotoTJ.[J].MasterScience,1998,13:2117.[J].復合材料學報,1995,12(4:60～65.[6]穆柏春,劉秉余,賈天敏.鎳包鐵增強金屬陶瓷材料的研究[7]WANGQi2hua,XUEQun2ji,LIUWei2min,etal.Theeffectof[J].Wear,1996,198:216～219.[8]王齊華,薛群基,沈維長.納米ZrO2填充PEEK材料的摩擦表[18]KYWen,KReichert,WHu.etal.InterfacialthermalstabilityinBN2coatedcontinuousAl2O3fiber2reinforcedNiAlcomposites[J].MaterialsScienceandEngineering,2004,A367:33～39.Materialia,2002,50:2343～2356.particlesizeofnanometerZrO2onthetribologicalbehaviorofPEEK面和轉移膜[J].材料研究學報,1999,13(1:107～109.[9]NASERJ,FERKEH,RIEHEMANNW.GrainstabilizationofLEngineering,1997,A2342236:470～473.[10]張偉剛,成會明,周龍江.納米陶瓷∏炭復合材料自愈合抗氧化[11]孔曉麗,劉勇兵,楊波.納米復合材料的研究進展[J].材料科[12]AntonioForn,MTeresaBaile,ElisaRupéSpineleffectontherez.(AlmechanicalpropertiesofmetalmatrixcompositeAA6061∏2O3p[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2003,143～144:58～61.[13]KSarkar.Metal2matrixinterfaceinreinforcedglassionomers[J].NDentalMaterials,1999,15:421～425.copperwithnanoscaledAl2O32powder[J].MaterialsScienceand行為[J].材料研究學報,1997,11(5:487～490.學與工藝,2002,10(4:436～441.[19]HBae,SHK,DHK,etal.DeformationbehaviorofMg2Zn2DimimYalloysreinforcedbyicosahedralquasicrystallineparticles[J].Acta[20]SHIZL,YANGJM,LEEJC,etal.Theinterfacialcharacterization[21]MWang,MKSurappa,CHTao,etal.MicrostructureandR[22]Cheong[23]劉俊友,劉英才,劉國權.SiC顆粒氧化行為及SiCp∏鋁基復合[24]樊建中,姚忠凱.碳化硅增強鋁基復合材料界面研究進展[J].[25]葉恒強.材料界面結構與特性[M].北京:科學出版社,1999.[26]王榮國,武衛(wèi)莉,谷萬里.復合材料概論[M].哈爾濱:哈爾濱ofoxidizedSiC(p∏2021AlComposites[J].MaterialsScienceand材料界面特征[J].中國有色金屬報,2002,12(5:961～966.稀有金屬,1997,21(2:134～137.工業(yè)大學出版社,1Si3N4∏nanocomposite[J].Composites,1999,PartA30:25～SiCCHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS2021年第30卷第6期·1306·化工進展納米石墨片/環(huán)氧樹脂復合材料的制備及性能陳星運1,2,賀江平2,舒遠杰2(1西南科技大學材料科學與工程學院,四川綿陽621010;2中國工程物理研究院化工材料研究所,四川綿陽621900摘要:分別采用低溫固化劑和高溫固化劑制備了納米石墨片/環(huán)氧樹脂復合材料。通過電阻測試儀和材料試驗機研究了納米石墨片的含量對復合材料導電性能和力學性能的影響規(guī)律,并將溶液混合法與直接混合法制備的復合材料的性能進行對比,同時比較了納米復合材料的性能與微粉石墨/環(huán)氧樹脂復合材料的性能。結果表明,溶液混合法制備的復合材料逾滲閾值更低,可得到填料質量分數達60%、體積電阻率為0.0085?·cm的納米復合材料。當填料質量分數高于4%時,納米復合材料的力學性能低于微粉復合材料。關鍵詞:納米石墨片;環(huán)氧樹脂;溶液混合法;導電性能;力學性能中圖分類號:TQ327.6文獻標志碼:A文章編號:1000–6613(202106–1306–07Preparationandpropertiesofgraphitenanosheets/epoxycompositesCHENXingyun1,2,HEJiangping2,SHUYuanjie2(1InstituteofMaterialScienceandEngineer,SouthwestScienceandTechnologyUniversity,Mianyang621010,Sichuan,China;2InstituteofChemicalMaterials,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,Sichuan,ChinaAbstract:Graphitenanosheets/epoxycompositeswerepreparedbythelowcuringmodeandhightemperaturecuringmode,respectively.Theinfluenceofthecontentofgraphitenanosheetsontheconductivepropertiesandmechanicalpropertiesofcompositeswerestudiedwiththeresistancetestingandmaterialstestingmachines.Thepropertiesofcompositespreparedbythesolutionmixingmethodanddirectlymixingmethodwerecomparedwitheachother,andthepropertiesofnano-compositeswerecomparedwithmicro-powdercomposites.Itwasshownthatthecompositespreparedbythesolutionmixingmethodcouldhavelowerpercolationthreshold.Whenthecontentofgraphitenanosheetsreached60%,thevolumeresistivitywas0.0085?·cm.Themechanicalpropertiesofnano-compositeswereinferiortothemicro-powdercompositeswiththefillercontenthigherthan4.0%.Keywords:graphitenanosheets;epoxyresin;solutionmixingmethod;electricconductivity;mechanicalproperties石墨是一種具有良好導電性能、導熱性能和耐腐蝕性能的材料。盡管它的導電性能不如某些金屬,但其耐酸腐蝕性能和抗氧化性能卻優(yōu)于許多金屬,而且它的密度也低于許多金屬,因此,石墨被用于制備滿足特殊需求的聚合物基導電復合材料[1]。同時,石墨是一種具有層狀結構的物質。這種結構特點為將石墨剝離成厚度更小的片狀物質提供了可能。近年來,隨著納米材料和納米復合材料科技的發(fā)展,石墨/聚合物納米復合材料的研究也得到了廣收稿日期:2021-02-19;修改稿日期:2021-04-06?；痦椖?中國工程物理研究院科學技術發(fā)展基金(2021B0327及中物院化工材料研究所新材料中心項目(XC-03。第一作者:陳星運(1983—,男,碩士研究生,從事高分子功能復合材料的研究。聯(lián)系人:賀江平。E-mailhe_jiangping@yahoo。第6期陳星運等:納米石墨片/環(huán)氧樹脂復合材料的制備及性能·1307·泛重視并取得了可喜進展[2-5]。在這些研究中,石墨以被插層的氧化石墨[6]、膨脹石墨[7]、納米厚度薄片[8]甚至單層的石墨烯或氧化石墨烯[9-10]這幾種形式存在。其中,納米石墨片可以被看作是結構介于普通鱗片石墨和石墨烯之間的一種物質。在用作導電填料時,它可以克服普通石墨的高逾滲值和復合材料的低導電性,同時又比石墨烯更易于制備,為求得材料性能和成本之間的平衡提供了可能。然而,在納米石墨片/聚合物復合材料的已有研究中,人們較多關注復合材料的逾滲閾值,而對復合材料的最終導電性能關注較少,復合材料的導電性能難以滿足某些應用的要求,如在質子交換膜燃料電池雙極板的應用中,要求石墨/聚合物復合材料的導電率大于100S/cm(即電阻率小于0.01?·cm[11]。因此,無論是從科學認識的角度,還是從實際應用的角度,都有必要開展高導電率納米石墨片/聚合物復合材料的制備方法、結構和性能特點等方面的研究。本工作以環(huán)氧樹脂為基體,采用高溫固化劑,通過溶液混合法制備了復合材料,在較寬的組成范圍內研究了復合材料的性能和組成之間的關系。1實驗部分1.1主要原料超低硫可膨脹石墨,9932250,32目,含碳量90%~99.5%,青島閻鑫石墨制品;微粉石墨,F-3,粒徑小于30μm(約500目,碳質量分數≥99%,上海一帆石墨;環(huán)氧樹脂,E-44,環(huán)氧值0.44,藍星新材料無錫樹脂廠;4,4′-二胺基-二苯基砜(DDS,化學純,國藥集團化學試劑;丙酮,化學純,市售。1.2儀器設備FTIR,Nicolet-5700,美國尼高力;SEM,HitachiTM-1000,日本日立;AFM,SPA300-HV,日本精工SEIKO;KQ400-KDB超聲波清洗器,昆山市超聲儀器;PC-68型數字高阻計,上海精密科學儀器;S-2A型四探針測試臺,廣州四探針科技;塑料擺錘沖擊試驗機,ZBC1400-2,深圳市新三思材料檢測;電子萬能試驗機,珠海三思計量儀器。1.3納米石墨片的制備將盛有適量可膨脹石墨的石英燒杯放入800~850℃的馬弗爐中,在該溫度下保持10s,得到膨脹石墨。采用量筒測得膨脹體積為250~300mL/g。將適量膨脹石墨加入乙醇和水的混合物中,在超聲清洗器中于30~40℃溫度下超聲處理15h。經過超聲處理后,上述體系中仍有極少量的膨脹石墨存在,用孔徑為0.18mm的篩網將其除去。通過過濾的方法將納米石墨片從乙醇/水混合物中分離出來。濾餅在105℃烘箱中干燥24h。1.4納米石墨片/環(huán)氧樹脂復合材料的制備嘗試了兩種制備納米石墨片/環(huán)氧樹脂復合材料的方法。按配比稱取納米石墨片、環(huán)氧樹脂及593固化劑,將納米石墨片與環(huán)氧樹脂丙酮溶液的混合物超聲處理2h。將上述混合物放入60℃的真空烘箱中真空處理1h,然后將物料倒入模具,在一定壓力下,在60~80℃固化1h。為了盡可能除去試樣中殘留的溶劑,還將上述試樣在100℃的烘箱中處理4h。按配比稱取納米石墨片、環(huán)氧樹脂及固化劑DDS,將納米石墨片與環(huán)氧樹脂丙酮溶液的混合物超聲處理2h。將上述混合物放入60℃的真空烘箱中真空處理1h,然后放入135℃烘箱中加熱2h,得到常溫下為固態(tài)的復合體系。室溫下將其破碎為粉末,在100℃烘箱中加熱處理3h,每1h取出樣品破碎1次。將得到的粉末按計算用量加入模具中,模壓成型。所得試樣分別在130℃、160℃、200℃烘箱中后固化處理2h,自然冷卻至室溫。所得試樣直接用于結構分析和性能測試。1.5復合材料性能的測試方法采用四電極法測試樣品的體積電阻率。試樣的尺寸為80mm×10mm×4mm。通過試樣兩端面輸入電流,電流強度為1μA~100mA,在距離兩端面各20mm處測試電勢差。電阻率的計算公式見式(1。ρ=Uwh/(IL(1式中,U為兩電極間的電勢差,w為試樣寬度,h為試樣厚度,L為兩電極的間距(此處為4cm,I為輸入電流。沖擊強度的測試方法:參照ISO179—1∶2000,化工進展2021年第30卷·1308·試樣尺寸80mm×10mm×4mm,無缺口,采用簡支梁方法,跨距60mm,側向沖擊,擺錘能量1J。彎曲性能的測試方法:參照ISO178—1∶2001,試樣尺寸80mm×10mm×4mm,跨距64mm,彎曲速度2mm/min。拉伸強度的測試方法:參照ISO527—1:1993,橫截面尺寸10mm×4mm,拉伸速度5mm/min。2結果與討論2.1納米石墨片的原子力顯微鏡測試為了準確地了解石墨片的厚度,通過原子力顯微鏡對其形貌進行了觀察,并在多處隨機取樣測量了石墨片的厚度。圖1給出了獲得的AFM觀測結果之一。由剖面輪廓圖可以看出,該石墨片的面內尺寸為650nm,厚度為29nm,其它厚度測量結果均未超過50nm。這表明本文制備的石墨片的厚度低于50nm。2.2復合材料兩種制備方法的比較固化劑593是二亞乙基三胺與環(huán)氧丙烷丁基醚的加成物,具有較低的固化溫度,在60~80℃下1h即可實現(xiàn)樹脂的固化。實驗表明,采用低溫固化劑,通過溶液共混的方法,能夠制備出填料質量分數高達60%的石墨/環(huán)氧樹脂復合材料。材料中的溶圖1納米石墨片的原子力顯微鏡照片和剖面輪廓圖劑可以通過高溫下的后處理有效去除。然而在高溫處理時,由于溶劑揮發(fā)導致材料收縮,材料表層和內部溶劑揮發(fā)速度和程度不同。材料內部溶劑的去除過程實質上是向表層遷移的過程,內部溶劑的去除相對滯后。因此內部材料的收縮程度小于表層,在材料表面出現(xiàn)裂紋。為了避免材料表面在后處理過程中出現(xiàn)裂紋,研究中采用了固化溫度較高的固化劑DDS。這樣就可以實現(xiàn)在加熱去除溶劑的過程中不發(fā)生固化反應或者交聯(lián)反應程度較低。溶劑去除后,再在更高的溫度下加熱完成材料的固化成型。實驗中,復合體系真空處理后,經歷了135℃下處理2h的工藝過程。在較高的溫度下,溶劑快速揮發(fā),并且復合體系具有一定的固化度,在室溫下將其破碎為粉末,更加有利于溶劑的去除。為了定性了解高溫處理對試樣中溶劑質量分數的影響,對處理前后的試樣進行了紅外光譜分析,結果如圖2所示。圖2中譜線(a上1713cm-1處的吸收峰為羰基的特征吸收峰,而在譜線(b上未見該吸收峰。這表明,高溫處理前材料中還含有一定量的溶劑——丙酮,經過高溫處理后試樣中的溶劑質量分數已經低于紅外的檢測范圍。由此可見,按照高溫固化工藝可以制備出溶劑有效去除的復合材料。實驗表明,通過這種方法制備的復合材料表面未出現(xiàn)裂紋。因此在進一步研究中,本文采用本工藝制備納米石墨片/環(huán)氧樹脂復合材料。2.3納米石墨片質量分數對復合材料導電性能的影響圖3(曲線1為復合材料的體積電阻率與納米石墨片質量分數之間的關系。為了便于比較,圖圖2高溫處理前后復合材料的紅外光譜圖第6期陳星運等:納米石墨片/環(huán)氧樹脂復合材料的制備及性能·1309·圖3復合材料的體積電阻率與石墨質量分數之間的關系1—填料為納米石墨片;2—填料為微粉石墨;3—文獻數據,填料為納米石墨片中還給出了通過相同方法制備的微粉石墨/環(huán)氧樹脂復合材料的體積電阻率與石墨質量分數之間的關系(曲線2。其具體數值如表1所示。從表1中可以看到,采用納米石墨片為導電填料時,復合材料的逾滲閾值低于1%,遠遠低于微粉石墨的16.5%(質量分數。納米石墨片的質量分數為20%時,復合材料的體積電阻率達到0.2?·cm;而要達到同樣的導電性,采用微粉石墨則需60%?？梢姴捎眉{米石墨片作為導電填料可以大大減少填料的用量。本研究中制備的復合材料含有納米石墨片最高為60%,此時復合材料的體積電阻率達到0.0085?·cm,是石墨質量分數為60%的微粉石墨填充復合材料體積電阻率的6%。上述比較表明,納米石墨片能夠比微粉石墨更有效地降低復合材料的體積電阻率。產生這種現(xiàn)象的原因在于納米石墨片具有納米厚度和大的徑厚比。相比于微米尺寸的石墨顆粒,片狀結構的納米石墨更易于在環(huán)氧樹脂基體中形成導電網絡,因此少量的納米石墨片即可使復合體系達到逾滲閾值。相同質量分數情況下,納米石墨片復合體系中的導電網絡更加完善,體積電阻率較微粉石墨復合體系有大幅度的降低,如圖4所示。圖3中還給出了文獻[12]報道的通過直接混合法制備的納米石墨片/環(huán)氧樹脂復合材料體積電阻率的數據(曲線3?？梢钥闯?本工作制備的復合材料具有更低的逾滲閾值和體積電阻率。在納米石墨片質量分數為2%時,本工作制備的復合材料體積電阻率為2.04×107?·cm,而文獻報道的數據為2.8×1012?·cm。從圖3還可以看出,本工作制備的復合材料中納米石墨片的質量分數達到了60%,遠遠超出了文獻[12]報道的11.5%。產生上述差異的原因在于復合材料制備方法的不同。本工作采用了超聲輔助的溶液混合方法,而文獻中則是將環(huán)氧樹脂加熱后在玻棒攪拌下加入納米石墨片。由于采用溶液混合方法,理論上可以向樹脂中加入任意質量分數的納米石墨片,并使用超聲作用促進納米石墨片的分散。而在直接向液體環(huán)氧中加入納米石墨片的情況下,隨著石墨片的加入,體系的黏度逐漸增加,難以提高納米石墨片的質量分數,使納米石墨片良好分散。表1試樣的體積電阻率數據微粉石墨質量分數/%體積電阻率/??cm標準偏差納米石墨片質量分數/%體積電阻率/??cm標準偏差02.48×10152.00×101302.48×10152.00×101316.421.21×10152.90×101412.42×10116.84×101125.191.62×1061.80×10522.04×1076×10534.362652241.05×1059.27×104800.020.003600.00850.000168化工進展2021年第30卷·1310·圖4試樣復合體系示意圖本工作還以納米石墨片質量分數為20%的試樣為例,初步研究了復合材料的歐姆特性,結果如圖5所示。從圖5(a、圖5(b可以看到,在實驗研究的電流范圍內,在電壓與電流之間存在良好的線性關系。從圖5(c可以看出,在各種電流下,復合材料具有恒定的電阻率。這表明納米石墨片質量分數20%填充環(huán)氧樹脂復合材料具有良好的歐姆特性。2.4納米石墨片質量分數對復合材料力學性能的影響圖6給出了納米石墨片/環(huán)氧樹脂復合材料和微粉石墨/環(huán)氧樹脂復合材料的沖擊強度、彎曲強度、拉伸強度與填料質量分數的關系?？梢钥闯?微粉石墨填充復合材料的力學性能隨石墨質量分數增加呈現(xiàn)先增加后降低的變化規(guī)律;而納米石墨片填充復合材料的力學性能中只有彎曲強度和拉伸強度表現(xiàn)出類似的變化規(guī)律,沖擊強度隨著填料質量分數增加而單調減小。在填料質量分數高于4%時,納米復合材料的沖擊強度、彎曲強度、拉伸強度均低于微米復合材料。圖520%納米石墨片填充環(huán)氧樹脂復合材料的U-I曲線和體積電阻率-電流曲線2.5復合材料的內部形貌為了弄清在較高填料質量分數下納米復合材料力學性能低于微粉復合材料的原因,通過掃描電子顯微鏡觀察了環(huán)氧樹脂和復合材料的內部形貌,如圖7(a、圖7(b所示。由圖7可以看出,在不含填料的環(huán)氧樹脂斷面上,形成了大量相對較高的和相對較低的區(qū)域,但兩種區(qū)域的高度相差不大;這些區(qū)域的形狀復雜,但區(qū)域內部平整。這是材料斷裂時裂紋在擴展過程第6期陳星運等：納米石墨片/環(huán)氧樹脂復合材料的制備及性能·1311·以清楚地看到，斷面上納米石墨片的表面光滑，表明納米石墨片與環(huán)氧基體之間的界面黏接差。由于本實驗采用的可膨脹石墨未經強氧化劑處理，納米石墨片表面和邊緣不含官能團，極性較低，與極性的環(huán)氧基體間的界面粘接差。與微粉石墨相比，納米石墨片的表面積大大增加，因此在質