碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备及其力-电特性研究

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碳纳米管(CNT)自从被发现以来,就因其优良的力学、电学、热学等特性成为了学术界研究的热点。环氧树脂(EP)类材料由于其具有理化性能稳定,原材料容易购买,固化过程简单方便,固化中无明显收缩或膨胀等优势,成为了有机复合材料研究中首选的基体材料。本文以CNT和EP为基本材料,研究了CNT/EP复合材料的相关性能,具体的研究内容如下:首先,本文基于混合-分散-成型的基本工艺,优化了CNT/EP复合材料薄膜的制作方法,优化后的成膜工艺可以使铜网电极嵌入CNT/EP复合材料基体从而使其良好接触。基于此工艺,本文制作了后续实验测试所需的CNT/EP复合材料试样。其次,基于制备好的CNT/EP复合材料试样,通过实验的方法研究了CNT的添加量对复合材料力学和电学性能的影响。结果表明,随着CNT添加量增加,复合材料的杨氏模量、断裂强度和断裂伸长率均呈现先升高、后降低的现象;而复合材料导电性则随着CNT含量的增加而提升,提升速率在不同CNT含量范围有所差异。然后,文章着重对CNT/EP复合材料的力-电耦合特性进行研究。复合材料的导电性在拉伸过程中被实时测量。实验结果表明,复合材料的导电性对CNT含量十分敏感。总体上,复合材料导电性随CNT含量升高而增强,然而在不同CNT含量区域,导电性增强速度有差异。在低CNT含量区和高CNT含量区,复合材料导电性随CNT含量升高较缓慢,而在中CNT含量区,复合材料导电性随CNT含量增加而升高得却十分显著。CNT含量同时影响复合材料试样的灵敏度和稳定性,灵敏度越高,稳定性越差。基于复合材料的力-电特性,本文设计了一款压力传感器,实验表明其在未来工程应用中有很大的应用潜力。最后,基于已有的CNT/EP复合材料导电性的数值模拟算法,本文提出了一种更高效的数值模拟方法,采用离散-重组的次级胞元粗网络模型对原始算法进行改进。数值模拟结果表明,在保证计算精度不明显降低的前提下,计算效率大大提高。
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