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玻璃微珠接枝碳纳米管层间填充碳纤维复合材料制备及性能研究

摘要

泡沫夹层复合材料因其质轻、化学稳定性好、可设计性强等优势，广泛应用于航

空航天、汽车及轨道交通、海洋船舶等领域。随着大体积、高重量、高能耗装备在各

领域的不断推广应用，应用传统泡沫芯材制备的夹层复合材料难以满足现有的工程设

计需求，因此需要开发质量轻、高强度、可设计性更强的复合泡沫夹层复合材料。通

过向环氧树脂中加入一定比例的表面接枝碳纳米管（CNTs）的空心玻璃微珠（HGMs），

能制备出轻质高强的泡沫芯材。

本文先以空心玻璃微珠为研究对象，在其表面接枝碳纳米管进行改性。将改性后

玻璃微珠以一定比例与环氧树脂混合，制备复合材料，通过红外光谱、X射线能谱、

SEM表征与力学性能的测试，考察了不同接枝含量CNTs对复合材料性能的影响。研

究结果表明：CNTs成功由酯化反应接枝到HGMs表面；复合材料拉伸、弯曲、压缩强

度随CNTs含量均呈现出先上升后下降的趋势。当CNTs接枝含量为0.8wt%时，试样

力学性能最好，拉伸强度、弯曲强度和压缩强度分别达到了43.12±1.49、79.86±1.38和

110.02±1.22MPa。

确定最佳CNTs接枝含量后，改变改性后玻璃微珠含量，采用浇注法制备泡沫芯材，

对其进行力学性能测试。研究结果表明：随着CNTs-HGMs含量的增加，CNTs-HGMs

泡沫密度有着明显下降趋势。试样拉伸、弯曲及压缩强度与模量随着CNTs-HGMs含量

的增加逐渐下降，当CNTs-HGMs含量为15wt%时，比强度与比模量最大。

固定泡沫夹层中CNTs-HGMs含量为15wt%，设计了2层泡沫夹层在8层碳纤维

编织布中不同的排列方式，研究不同排列方式对复合材料力学性能的影响。优化出最

优异的排列方式，用于研究泡沫夹层厚度对复合材料性能的影响。结果表明：当2层

泡沫夹层位于复合材料最两端，此时拉伸、弯曲与剪切性能最好，强度分别为

269.32±6.21MPa、89.58±6.01MPa、52.13±2.42MPa。当泡沫夹层厚度为5mm时，其

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拉伸、弯曲与剪切比强度最大，分别为259.64±4.31（MPa·cm/g）、180.48±6.12

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（MPa·cm/g）、50.04±4.22（MPa·cm/g）；随着泡沫夹层厚度的增加，复合材料导热系

数逐渐降低。当泡沫夹层厚度为6mm时，复合材料导热系数为0.38±0.01W/（m·K），

3

相较于碳纤维复合材料，导热系数降低了43.28%，此时密度最低，为0.81±0.03g/cm。

关键词：泡沫夹层复合材料；碳纳米管；空心玻璃微珠；环氧树脂

玻璃微珠接枝碳纳米管层间填充碳纤维复合材料制备及性能研究

Abstract

Foam-coresandwichcompositematerialsarehighlyregardedfortheirlightweightnature,

excellentchemicalstability,andremarkabledesignflexibility,renderingthemindispensablein

amultitudeofindustriessuchasaerospace,automotive,railtransportation,marinevessels,and

more.However,asv