热循环的作用在碳Nanotube-Reinforced环氧树脂的拉伸和剪切行为

文摘

本研究的目的是研究拉伸和剪切特性和机械特性的碳纳米管(CNT)增强环氧树脂后得到的复合材料暴露在不同的热循环环境。单壁碳纳米管(SWCNTs)圆柱卷起来的一张单层碳原子组成的分子(石墨烯)的直径小于1纳米(纳米)。热循环的环境中可以存在于许多条件,如在地球轨道上的卫星绕地球旋转,通过太阳照明和地球的阴影,和飞机飞行在不同海拔不同的温度。碳nanotube-reinforced环氧树脂是一种纳米复合材料已被广泛应用于许多应用程序,如航空航天、汽车、电子等行业。本研究的目的是制造这种纳米复合材料具有不同的多层和着单壁球长大问浓度和暴露它不同的热循环数和确定拉伸和剪切特性的变化和故障特征。为此,紧张和短梁测试被用于这项研究。的多层问产生更好的机械性能相比SWCNT钢筋的使用。然而,无钢筋环氧显示最高的机械性能。

1。介绍

Lijima一直第一科学家介绍了碳纳米管(1]。碳纳米管是圆柱形分子由卷起的表的单层碳原子(石墨烯)。碳纳米管已经被应用于不同的行业,如电子、航空航天和汽车。碳纳米管的原因吸引了许多行业优秀的机械性能如高纵横比、高杨氏模量、抗拉强度高(2]。由于提到问属性,最近,许多实验和研究进行分析结构,力学,和合成的碳纳米管3- - - - - -7]。此外,目前在新材料领域的描述,已经发表的一篇文章(8]。

有不同的方法来生产碳纳米管化学汽相淀积等电弧放电,催化剂数组、声化学,电解和激光烧蚀。许多研究表明,生产方法有影响的几何问,因为它可以改变CNT的直径和长度。问的几何的改变可以改变机械性能,破坏机理,表面相互作用,反应(2]。

应用矩阵内的碳纳米管可以提高刚度,提高韧性(9,10]。需要有碳纳米管均匀地分布在矩阵问凝聚内防止应力集中区域,统一在整个纳米复合材料力学性能。为此,可以应用与声波降解法化学处理过程。

碳纳米管可以在单壁碳纳米管的形式(SWCNTs)和微纳米碳管。问的直径约为几纳米,而问的长度约为几微米。环氧树脂基体材料是一个很好的候选人。原因是化学和耐腐蚀性能高,抗拉强度大,高附着力和尺寸稳定性。因此,CNT-reinforced环氧(问/环氧)结合问和环氧树脂的力学性能是一个很好的候选人应用在许多行业,如航空,电子,航天。

而应用CNT /环氧树脂在热循环环境中,裂缝内可能形成纳米复合材料尤其是在问凝聚地区由于应力集中。问集聚发生由于它们之间的范德华力。因此,裂纹扩展造成多次热循环可能导致CNT /环氧骨折。

以来,卫星围绕地球旋转,通过太阳照明和日食,它们暴露于温度变化可发展热循环;一个精确的分析探讨热循环对碳的力学行为的影响nanotube-reinforced环氧是必需的(11,12]。此外,同样的状况也出现在飞机起飞和降落。原因是,在不同的海拔,温度变化可热循环发展。此外,在其他行业,如汽车、热循环的存在。每次一个汽车打开,它升温,每次它关闭,它冷却下来。因此,将创建一个热循环。相关研究已经完成在2012年公园等。13)测量碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能退化,受到2000年热循环。在这项研究中,力学性能退化的MWCNT /环氧和SWCNT /环氧树脂已经暴露于3000年热循环测量。

这项研究的区别和先前的研究提出了作者是,之前的研究,作者开发了分析模型的基础上,实验已进行的其他作者在过去。在这项研究中,作者进行了实验在实验室里制造SWCNT /环氧和MWCNT /环氧和暴露他们热循环环境。此外,紧张和剪切测试SWCNT /环氧和MWCNT /环氧树脂已由作者确定之前的纳米复合材料的力学性能和热循环后曝光。在这项研究中,第一次热循环的数量已经增加到最大3000热周期调查更高的热循环的影响数字SWCNT /环氧树脂的性质和MWCNT /环氧树脂。

在这个研究中,热循环的作用在抗拉和抗剪强度,最大位移、极限应变、弹性模量CNT-reinforced环氧的调查。执行研究和开展实验的细节都包含在以下部分。

2。问题公式化

本研究的目的是确定环氧树脂的热循环对力学性能的影响和CNT-reinforced环氧基复合材料。为了这个目的,第一步是生产环氧树脂、着单壁球长大的CNT - (SWCNT)环氧树脂,多层问——(MWCNT)环氧树脂纳米复合材料。SWCNT和MWCNT钢筋使用的浓度为0.5 wt。1.0 wt %。wt %, 1.5。分别为%。的毫米和3.0毫米厚复合板块受到1500年和3000年的热循环。热循环在室温至约85%的玻璃化转变温度(0.85 )的环氧树脂。接触板的热循环后,进行了适当的测试标本在后面一节中详细和机械性能的样品测定并与样品的力学性能在循环热接触。在这项研究中,测量力学性能、拉伸和短梁剪切测试是用来评估在拉伸和剪切强度退化与新生的标本不受到热循环。

3所示。实验程序

3.1。CNT-Epoxy复合板制造和暴露在热循环过程

热合是获得“美国研究纳米材料有限公司”购买了碳管的外径是20 - 30 nm。SWCNTs从OCSiAl公司获得。的外双韵脚SWCNTs约2海里。此外,环氧2020年获得Fibreglast公司。根据制造商的数据,最大值后固化温度,可以应用于环氧树脂93摄氏度。

CNT-epoxy制造板块,第一步是添加0.5,1或1.5 wt。% MWCNT或SWCNT环氧烧杯,然后把它们放在一个玻璃棒,然后脱气混合物。第二步是利用超声发生器驱散MWCNT或SWCNT统一到环氧树脂。超声发生器设备已被用于碳纳米管与环氧树脂混合图所示1。第三步是添加硬化剂混合和混合再用玻璃棒。最后,应该使用超声发生器设备再次确保碳纳米管在环氧树脂的分布是均匀的。

后CNT-epoxy混合物提供与SWCNT或MWCNT其次是上述过程,混合物倒入模具,治愈22小时的32.2°C。铝模具的尺寸毫米。CNT-epoxy纳米复合材料是制作后进行热循环。热循环从室温(25°C)至0.85环氧树脂(65°C)。玻璃化转变温度已经决定利用差示扫描量热法(DSC)和测量为76°C。两套装配式环氧和epoxy-CNT板块都受到1500年和3000年周期的循环热负荷,分别。加热热循环的一部分已经完成在一个空气循环电炉从25°C到65°C约4分钟。样品已经达到65°C后,浸泡1分钟,冷却到室温大约4到5分钟。冷却热循环的一部分,强制空气冷却风扇使用。温度在3.0毫米厚板的中心被插入一个确保热电偶midthickness从一侧的板。拉伸试验和短梁试验样本准备从这些板处理。

3.2。拉伸试验

在该测试中,样品是受单轴拉应力极限拉伸应力下,直到失败。MTS材料测试系统用于这项研究显示在图2。

狗骨头状拉伸试样加工从板块根据标准ASTM D638-14和示意图如图所示3。拉伸试样的总长度是165毫米,标准长度为50.8毫米,宽度为19.05毫米,厚度为3.175毫米。铝标签被贴在样品结束避免破碎的标本。使用夹计,见图2,测量拉伸变形超过1英寸(25.5毫米)计长度。

3.2.1之上。实验程序

至少5个标本每个测试条件进行测试。测试标准的实验室氛围25°C进行了。在测试,一个标准的头位移速率2毫米/分钟(使用15]。标本加载直至断裂。

3.3。短梁试验

ASTM # D2344测试标准是用来确定纳米复合材料的层间剪切强度受到横向加载时材料。层间剪切强度可以用来控制质量或比较不同复合材料的剪切强度。

3.3.1。实验程序

至少5个标本每个测试条件进行测试。样品尺寸是根据各自的ASTM标准。测试标准实验室气氛25°C是由定心夹具的复合试样对称的支持,如图4。应用负载样本继续在中跨的标本,直到样品失败分为两部分。在测试,一个标准的头位移用2毫米/分钟的速度根据ASTM # D2344 [16]。

4所示。结果和讨论

所有的结果已从拉伸试验获得的狗骨标本和短梁剪切试样如下例所示。正如在前面的章节所讨论的,以下是结果对七种不同的材料:(1)环氧树脂(2)0.5 wt。% MWCNT-epoxy(3)1.0 wt。% MWCNT-epoxy(4)1.5 wt。% MWCNT-epoxy(5)0.5 wt。% SWCNT-epoxy(6)1.0 wt。% SWCNT-epoxy(7)1.5 wt。% SWCNT-epoxy

优化,所有的值表示所有标本的机械性能如抗拉和剪切强度和弹性模量的数值最接近。

4.1。拉力测试结果

数据5- - - - - -7提供环氧树脂的拉伸试验结果的摘要标本不同问增援和热循环次数。

以下数据,系列1、2、3代表0,1500年和3000年热周期,分别。

纯环氧树脂材料标本显示增加抗拉强度和弹性模量随着热循环。因此,极限抗拉应变失败减少随着环氧更加脆弱随着热循环。

MWCNT-reinforced环氧树脂在室温下的机械性能(零热周期)和由于热循环总是低于无钢筋环氧树脂。然而,对于每个MWCNT的浓度,拉伸性能提高1500热循环但降低热循环的数量增加到3000人。假设,更多的热循环矩阵产生微裂缝,问团聚体和部分脱胶的碳纳米管环氧矩阵由于MWCNT的压应力松弛,由于环氧树脂在固化收缩。问(SWCNT)钢筋与着单壁球长大,机械性能低于无钢筋环氧和MWCNT-reinforced环氧复合材料。属性变更的趋势对SWCNT浓度和热循环与MWCNT标本相似。MWCNT复合材料,得到了最好的属性1.5 wt。%的强化,而对于SWCNT复合材料,最好的属性得到1 wt。%的强化。显然,SWCNT钢筋,最好的属性获得了小问0.5 wt的浓度。% 3000的热循环。然而,SWCNT而言,最好的属性在3000热周期获得的最高浓度1.5 wt. %。

4.2。剪切试验结果

复合材料横向载荷作用下的剪切特性在三点弯曲加载配置数据所示8和9。这两种类型的剪切性能显著降低问增援和热循环的数量比纯环氧树脂。SWCNT钢筋产生最低的热循环剪切特性。

4.3。从拉伸和剪切测试统计数据

在下面的数据,统计数据,从拉伸和剪切试验获得。这些统计数据在下表中显示标准差每个材料的拉伸和剪切强度进行了测试。

强度值的变化是显著的,范围从低点约3.45 MPa高约20.68 MPa CNT-reinforced标本。这种变化甚至更高的无筋环氧标本。变化是最低SWCNT-reinforced标本。这些趋势指出抗拉强度图10和抗剪强度测试图11。在这个初步研究,目前还不清楚是什么原因相对较大的变化和更详细的调查影响热循环矩阵和matrix-CNT接口是必要的,并将影响未来的主题。

4.4。使用扫描电镜断口分析各种拉伸试样

4.1.1。单片环氧

在室温(RT)、断裂路径和表面粗糙和波浪见图12。表面光滑的表面区域蔓延在粗糙区域之间也通过表面裂缝和小散裂是可见的在较高放大1000倍。粗糙断裂面表明潜在的更大的断裂能量环氧树脂在室温下。

断裂表面的标本受到1500年热循环平滑粗糙的表面,因此小区域比室温标本,如图13。流畅的断裂表面表明,抗拉强度较高的热循环环氧更脆弱而室温环氧树脂。

10/24/11。0.5 wt. % MWCNT-Epoxy复合

在室温下,断口表面粗糙和波浪(50 x放大)点缀着光滑的表面(放大1000倍),如图14。热合被发现有很均匀的分散在环氧树脂聚集的小区域。的多层碳纳米管降低了抗拉强度比新生的环氧树脂的室温强度可能由于缺乏引起的应力集中和环氧树脂之间的共价键问。

1500热循环,抗拉强度增加了20%以上相比,室温标本。没有指出主要的断裂表面特征的变化相比,室温骨折标本除了较大的表面波浪高峰和低谷(如1000 x的形象图15),可能导致增加抗拉强度。另一个潜在的增加的原因可能是由于残余应力的松弛热循环。在图15,问包也可以看到,已经退出,其表面是干净的指示环氧矩阵之间没有原子成键和问。3000年之后热循环,抗拉强度比1500年下降了约20%热循环标本。假定3000热循环后,有增加裂缝的矩阵在问聚集,见图16。

4.4.3。1.0 wt. % MWCNT-Epoxy

热循环标本,即RT、1500年和3000年热周期,断裂特征非常相似,为0.5 wt观察。% MWCNT标本。此外,抗拉强度值为0.5 wt非常相似。wt %和1.0。% MWCNT标本。

4.4.4。1.5 wt. % MWCNT-Epoxy

在RT,断裂表面有些粗糙,有许多点缀的光滑和相对平坦地区,如图17。没有其他具体的裂缝。

1500热周期,断裂表面粗糙度增大比室温标本,如图18。此外,问集聚区域显示小和小裂缝长度(1000 x)相比低问浓度标本。

3000热周期,更凝聚的地区曾被观察到在断裂表面。此外,在一个复杂的非均匀断裂表面的形状。此外,针状的碳管在断裂表面可以观察到,如图19。CNT-agglomerated区域,裂纹相比增加了1500热循环标本(图18)。

4.4.5。SWCNT-Epoxy复合材料

着单壁球长大问强化环氧树脂生产复合材料的力学性能低于无钢筋环氧和MWCNT-reinforced复合材料。他们的属性是40 - 60%低于环氧基体材料相比也MWCNT复合材料。我们不提供扫描显微镜图片为每个问浓度和热循环,而是提供证据表明可能解释了SWCNT复合材料的降解性能的原因。更大的刚度的单壁碳纳米管和碳纳米管的聚集程度相比,微纳米断裂地区还有更大的破坏和开裂导致力学性能下降。我们可以看到在图20.(50 - 200 x放大)1.5 wt。% SWCNT 1500热循环后,有广泛的开裂,而且,有证据表明碳纳米管有明显开裂地区凝聚(5000 x 20000 x放大)。

类似的趋势指出潜在的更大的破坏和在3000热周期1.5 wt开裂。% SWCNT复合材料,如图21。

5。总结

环氧聚合物用于大量的应用程序在热循环的一部分工作环境除了机械负荷。通常,聚合物矩阵形式的钢筋的增援纤维或颗粒。在这项研究中,碳纳米管(CNT)被用来作为强化生产增强环氧复合材料板。板块受到1500年和3000年热周期,这些热循环板连同治愈板在室温下的拉伸性能进行了测试和横向剪切特性。

环氧树脂的弹性模量和抗拉强度增加而增加的热循环,由于更大的聚合物链之间的交联。添加多层(MW)碳纳米管的弹性模量和抗拉强度降低为所有三个问浓度比无筋环氧树脂进行了研究。这是观察到1.0 wt。% MWCNT-epoxycomposite subjected to 1500 thermal cycles had the best tensile properties. The addition of single-wall (SW) CNTs as reinforcement to epoxy matrix resulted in composites with mechanical properties inferior to both the monolithic epoxy and the MWCNT-epoxy materials.

两个CNT-reinforced复合材料的剪切性能不如无钢筋与SWCNT环氧复合显示最低的属性。在拉伸行为的情况下,1.0 wt。% MWCNT复合受到1500年热循环导致最好的复合材料属性。

基于这项研究的结果,它可以概括的MWCNT产生更好的机械性能相比SWCNT钢筋的使用。然而,无钢筋环氧显示最高的机械性能。扫描电子显微镜图像显示三个材料的损伤机制研究,和各种趋势一直在讨论论文的主体。SWCNT标本中的断裂表面显示比MWCNT复合材料更大的破坏,这意味着较低的SWCNT-epoxy复合材料的力学性能。在本研究中,断裂韧性和断裂特征没有调查,将在未来的研究论文。它是假定CNT-reinforced复合材料可以显示高于无钢筋环氧树脂的断裂韧性,因此,前者会更有弹性的材料。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果中包括以下引用(7,13- - - - - -16]。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢莎拉·奥尔顿博士,土木与环境工程系的教授先生Rupesh Devapati,机械工程系研究生研究助理,在密苏里大学对MTS的援助与导电材料测试机。

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