碳納米管改性環氧樹脂復合材料的聲發射研究

武夢雅 李 鵬＊

（北京化工大學 材料科學與工程學院,北京100029）

1 概述

復合材料在具有高強度、耐高溫、耐腐蝕、易加工成型等諸多優點的同時，單位質量卻只有鋁合金的一半、鋼的五分之一，從而在飛機機體制造中得到大量應用[1]。環氧樹脂是目前很有發展前景的復合材料之一。然而，這種樹脂韌性較差，沖擊強度低，在撞擊時易脆，并且由于其高度的化學交聯而顯示出對裂紋擴展的不良抗性，降低了其作為結構材料的可靠性[2]，因此要對環氧樹脂進行增韌，采用填料與基體之間的互補方式來提高基體的性能[3]。

研究不同添加含量顆粒之間的相互作用還有很長的路要走，而且目前很少將聲發射檢測到的實時動態信號與加工實驗條件導致材料的內部結構的變化相結合，將聲發射信號參數的變化與固化溫度等材料內部結構的吸波特性聯系起來還處于空白，這也是本實驗的研究目的。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

本次實驗主要用到的實驗藥品如下：E51 液態環氧樹脂，南通星辰合成材料有限公司；甲基六氫苯酐，分析純，北京中化納融貿易有限公司；N,N-二甲基甲酰胺，分析純，南京科正化工有限公司；碳納米管，化學純，中國科學院成都有機化學有限公司。

2.2 實驗器材

本次實驗所用到的主要實驗器材如下：DZF-6050 型真空干燥箱，北京宏達天矩材料設備有限公司；DF-101S 型恒溫磁力攪拌器，予華儀器有限責任公司；T201N 型電子天平，上海精天電子儀器有限公司；HH-2 型恒溫油浴鍋，江蘇正基儀器有限公司；電子拉力試驗機，青島高鐵檢測儀器有限公司；PCL-2 型聲發射檢測設備，美國物理聲學公司；R15α 型傳感器，美國物理聲學公司。

2.3 實驗方案與流程

2.3.1 制備方案

將甲基-六氫苯酐加入盛有E51 的燒杯中，置于110 ℃油浴鍋中恒溫攪拌1 h，混合均勻，制成澄清透明的液體，加入碳納米管（五次加入比例分別為碳納米管：環氧樹脂=0%wt、0% wt、0.5% wt、1% wt、1.5% wt）并在油浴鍋中110℃恒溫持續攪拌2 h，使之分散均勻，冷卻至室溫，加入N,N-二甲基甲酰胺，室溫攪拌0.5 h，混合均勻后加入適量脫泡劑，抽真空脫除氣泡，再倒入模具按照以下程序固化：90 ℃/2 h+110 ℃/2 h（樣板1，此后稱為S1），110 ℃/2h+140 ℃/2h（S2），110 ℃/2h+140 ℃/2h（S3），110 ℃/2h+140 ℃/2h（S4），110 ℃/2h+140 ℃/2h（S5），S5 由于碳納米管分散不均造成宏觀孔洞缺陷，后續不予測試。

2.3.2 聲發射檢測

采用美國PAC 公司的PCL-2 聲發射檢測設備對上述四種試樣進行檢測，將發射信號傳感器放在A 的位置，接收信號傳感器放在B/C 位置，收集信號之后，對信號進行處理。

圖1 聲發射檢測示意圖

2.3.3 力學性能

材料的彈性、韌性等力學性能參數可通過拉伸試驗測得，拉伸強度反映出材料自身對力的承受能力，斷裂伸長率是指在外力作用下，聚合物的大分子鏈發生運動，一定程度上能反映出材料自身的韌性。本實驗對以上試樣進行拉伸測試，對其力學性能進行表征。

3 測試部分

3.1 聲發射檢測不同固化溫度的影響

不同的固化溫度會影響固化反應的過程、固化反應的速度以及轉化率，所以在對環氧樹脂進行固化時要選擇適當的溫度，以便獲得良好的交聯度。本實驗選定S1（后固化110℃）、S2（后固化140℃）兩塊樣板，發射信號傳感器放于A點，接收信號傳感器放于B 點，利用聲發射分析固化溫度對環氧樹脂固化程度的影響。

3.2 聲發射檢測碳納米管的加入量的影響

本實驗選定S2（0%wt CNTs）、S3 （0.5%wt CNTs）、S4（1.0%wt CNTs）三塊樣板（由于1.5%wt CNTs 濃度太大分散不均，制成樣板失敗），發射信號傳感器放于A 點，接收信號傳感器放于B 點，利用聲發射分析CNTs 的加入量不同對環氧樹脂固化程度的影響。

3.3 聲發射檢測不同測試位置的影響

本實驗選定S1、S2、S3、S4 四塊樣板，發射信號傳感器放于A 點，接收信號傳感器放于B 或C 點，利用聲發射分析不同檢測位置對接收到的信號的影響。

3.4 力學性能表征

試樣的拉伸測試按照GB/T 2567-2008（樹脂澆鑄體性能試驗方法）標準，在電子拉力試驗機上測試，將上述樣板制成規格為200mm*10mm*4mm 的啞鈴形狀，拉伸速度為2mm/min，每組測試選擇5 個試樣，取平均值作為最終的測試結果。

圖2 拉伸試樣圖

4 實驗結果及分析

4.1 不同固化溫度對聲發射信號的影響

純樹脂分別在110℃和140℃的固化溫度下，檢測到的聲發射信號的上升時間相差不大，說明不同溫度處理下的環氧樹脂對聲發射信號傳播速度影響不大。這是由于在相同固化時間下兩種固化溫度，生成的主體網絡結構相差不大，因此上升時間相差不大。

4.2 碳納米管的含量對聲發射信號的影響

隨著CNTs 加入量的增加，聲發射儀器收集到的聲發射信號振幅逐漸下降，這是因為波的傳播是通過介質的振動來傳遞的，不同類型的介質的作用力是不同的，從而導致振幅不同，即使在均勻的介質中，隨著波的傳播，幅度也會減少。隨著CNTs 的加入，多壁碳納米管在開始形成的時候，層與層之間很容易成為陷阱中心而捕獲各種缺陷，這些缺陷會導致能量的耗散。另一方面CNTs 具有很大的比表面積，這使得CNTs 具有良好的吸波性能。

CNTs 含量為1% wt 的復合材料的聲發射信號能量最低，較多的界面使得彈性波在傳播過程中消耗的能量較多。

4.3 不同檢測位置對聲發射信號的影響

根據所得的試驗數據，低溫處理的純環氧樹脂和碳納米管加入量為0.0%和0.5%和1%時在B 位置測試的聲發射信號振幅比C 位置測試的聲發射信號振幅在相同的時間下要高很多，每種工藝處理條件下，B 位置的衰減時間要比C 位置長，這是因為聲波的傳播需要介質，其中大量粒子在平衡位置附近做機械振動，粒子之間存在內部摩擦，因此聲波的一部分機械能可以轉換為內部能量并被材料吸收。

四種樣板上升到最大幅值所需要的時間不同，B 位置的上升時間高于C 位置，因為B 的振幅高于C，振幅越高，上升時間越長，且聲發射信號波在AB 段的能量值明顯高于AC段，因為距離越遠，損耗越大。

4.4 力學性能測試

從S1 和S2 對比，高溫固化的環氧樹脂強度更高，且斷裂伸長率更大，高溫可使環氧樹脂固化地更完全，S2、S3、S4 對比來看，CNTs 的添加顯著提高了環氧樹脂的韌性，CNTs 的添加量為0.5%wt 時，斷裂伸長率從1.89%增加到2.21%，而同時強度值也有所提高，從75.49MPa 增加至78.56MPa，可見CNTs 的加入提高了環氧樹脂的韌性，起到了增韌效果，但添加量為1%wt 時強度和斷裂伸長率又有所下降，可以進行后續測試探究最佳的CNTs 的加入量。

5 結論

5.1 不同的固化溫度會影響固化反應的歷程、固化反應的速率以及最終的轉化率，所以在對環氧樹脂進行固化時要選擇適當的溫度。本實驗在140℃固化溫度下收集到的聲發射信號能量比110℃高，衰減時間也更長。

5.2 對于復合材料來說，界面很重要，它影響著碳納米管優異性能的充分發揮。本實驗制備了CNTs 質量分數為0.0%、0.5%和1.0%的環氧樹脂復合材料，通過對其聲發射信號的檢測，發現隨著加入量的增加，聲發射儀器收集到的聲發射信號振幅逐漸下降。

5.3 聲波的振幅會隨著聲波穿過材料而衰減。因此，在傳感器處記錄的振幅取決于傳感器距發射源的距離。在距離較近的聲發射信號檢測點，測得的聲發射信號的能量、幅值和衰減時間都比較高。

5.4 從力學性能來看，碳納米管的加入提高了環氧樹脂的強度和斷裂伸長率，佐證以上結論，但最佳的碳納米管的加入量仍需進一步探究。