纳米复合材料的制备与力学性能研究
摘 要
本研究旨在通过溶胶 - 凝胶法结合原位聚合法制备具有高力学性能的纳米二氧化硅/环氧树脂复合材料，并系统研究其微观结构与宏观力学性能之间的关系。实验中采用不同质量分数的纳米二氧化硅作为增强相，通过控制反应条件实现对复合材料微观结构的有效调控。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜等表征手段分析了复合材料的微观形貌及分散状态，结果表明纳米粒子在基体中实现了均匀分散且界面结合良好。力学性能测试显示，随着纳米二氧化硅含量的增加，复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度均呈现先增后减的趋势，在质量分数为3%时达到最佳值，分别比纯环氧树脂提高了45.2%、38.7%和52.1%。此外，动态热机械分析表明复合材料的玻璃化转变温度显著提高，说明纳米粒子的加入有效改善了材料的耐热性。
关键词：纳米复合材料；溶胶-凝胶法；力学性能
Abstract
The aim of this study was to prepare nanosilica / epoxy composites with high mechanical properties by sol-gel and in situ polymerization and to systematically investigate the relationship between microstructure and macroscopic mechanical properties. Nanosilica with different quality fraction was used as the enhancement phase to realize the effective regulation of the composite microstructure by controlling the reaction conditions. The microscopic morphology and dispersion state of the composites were analyzed by scanning electron microscopy and transmission electron microscopy, and the results showed that the nanoparticles are evenly dispersed and well combined in the matrix. The mechanical properties test showed that with the increase of nano-silica content, the tensile strength, bending strength and impact strength of the composite material showed the trend of increasing first and then decreasing, and the best value was 3%, which was 45.2%, 38.7% and 52.1% higher than the pure epoxy resin respectively. Moreover, the dynamic thermomechanical analysis shows that the glass transition temperature of the composite is significantly increased, indicating that the addition of nanoparticles effectively improves the heat resistance of the material.
Key Words：Nanocomposites; sol-gel method; mechanical properties
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状综述 1
1.3 本文研究方法概述 2
第2章 纳米复合材料的制备工艺研究 4
2.1 制备方法选择依据 4
2.2 原料选择与预处理 5
2.3 制备过程参数控制 5
2.4 制备工艺优化方案 6
第3章 纳米复合材料微观结构表征 8
3.1 微观形貌分析 8
3.1.1 扫描电镜观察 8
3.1.2 透射电镜分析 8
3.1.3 原子力显微镜测试 9
3.1.4 表面粗糙度测量 9
3.2 物相组成分析 9
3.2.1 X射线衍射分析 10
3.2.2 红外光谱表征 10
3.2.3 拉曼光谱检测 10
3.2.4 热重分析 10
3.3 化学成分分析 11
3.3.1 能谱分析 11
3.3.2 X射线光电子能谱 11
3.3.3 元素分布分析 12
3.3.4 化学键合状态 12
3.4 结构稳定性评估 12
3.4.1 高温稳定性 13
3.4.2 化学稳定性 13
3.4.3 力学稳定性 13
3.4.4 环境稳定性 14
第4章 纳米复合材料力学性能研究 15
4.1 力学性能测试方法 15
4.1.1 拉伸性能测试 15
4.1.2 压缩性能测试 15
4.1.3 弯曲性能测试 16
4.1.4 冲击性能测试 16
4.2 力学性能影响因素 16
4.2.1 成分比例影响 16
4.2.2 制备工艺影响 17
4.2.3 温度环境影响 17
4.2.4 加载速率影响 17
4.3 力学性能增强机制 18
4.3.1 界面强化机制 18
4.3.2 分散强化机制 18
4.3.3 尺寸效应分析 19
4.3.4 复杂应力场 19
4.4 力学性能预测模型 19
4.4.1 经验公式建立 20
4.4.2 数值模拟方法 20
4.4.3 数据驱动建模 20
4.4.4 模型验证与优化 21
结 论 22
参考文献 23
致 谢 24
摘 要
本研究旨在通过溶胶 - 凝胶法结合原位聚合法制备具有高力学性能的纳米二氧化硅/环氧树脂复合材料，并系统研究其微观结构与宏观力学性能之间的关系。实验中采用不同质量分数的纳米二氧化硅作为增强相，通过控制反应条件实现对复合材料微观结构的有效调控。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜等表征手段分析了复合材料的微观形貌及分散状态，结果表明纳米粒子在基体中实现了均匀分散且界面结合良好。力学性能测试显示，随着纳米二氧化硅含量的增加，复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度均呈现先增后减的趋势，在质量分数为3%时达到最佳值，分别比纯环氧树脂提高了45.2%、38.7%和52.1%。此外，动态热机械分析表明复合材料的玻璃化转变温度显著提高，说明纳米粒子的加入有效改善了材料的耐热性。
关键词：纳米复合材料；溶胶-凝胶法；力学性能
Abstract
The aim of this study was to prepare nanosilica / epoxy composites with high mechanical properties by sol-gel and in situ polymerization and to systematically investigate the relationship between microstructure and macroscopic mechanical properties. Nanosilica with different quality fraction was used as the enhancement phase to realize the effective regulation of the composite microstructure by controlling the reaction conditions. The microscopic morphology and dispersion state of the composites were analyzed by scanning electron microscopy and transmission electron microscopy, and the results showed that the nanoparticles are evenly dispersed and well combined in the matrix. The mechanical properties test showed that with the increase of nano-silica content, the tensile strength, bending strength and impact strength of the composite material showed the trend of increasing first and then decreasing, and the best value was 3%, which was 45.2%, 38.7% and 52.1% higher than the pure epoxy resin respectively. Moreover, the dynamic thermomechanical analysis shows that the glass transition temperature of the composite is significantly increased, indicating that the addition of nanoparticles effectively improves the heat resistance of the material.
Key Words：Nanocomposites; sol-gel method; mechanical properties
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状综述 1
1.3 本文研究方法概述 2
第2章 纳米复合材料的制备工艺研究 4
2.1 制备方法选择依据 4
2.2 原料选择与预处理 5
2.3 制备过程参数控制 5
2.4 制备工艺优化方案 6
第3章 纳米复合材料微观结构表征 8
3.1 微观形貌分析 8
3.1.1 扫描电镜观察 8
3.1.2 透射电镜分析 8
3.1.3 原子力显微镜测试 9
3.1.4 表面粗糙度测量 9
3.2 物相组成分析 9
3.2.1 X射线衍射分析 10
3.2.2 红外光谱表征 10
3.2.3 拉曼光谱检测 10
3.2.4 热重分析 10
3.3 化学成分分析 11
3.3.1 能谱分析 11
3.3.2 X射线光电子能谱 11
3.3.3 元素分布分析 12
3.3.4 化学键合状态 12
3.4 结构稳定性评估 12
3.4.1 高温稳定性 13
3.4.2 化学稳定性 13
3.4.3 力学稳定性 13
3.4.4 环境稳定性 14
第4章 纳米复合材料力学性能研究 15
4.1 力学性能测试方法 15
4.1.1 拉伸性能测试 15
4.1.2 压缩性能测试 15
4.1.3 弯曲性能测试 16
4.1.4 冲击性能测试 16
4.2 力学性能影响因素 16
4.2.1 成分比例影响 16
4.2.2 制备工艺影响 17
4.2.3 温度环境影响 17
4.2.4 加载速率影响 17
4.3 力学性能增强机制 18
4.3.1 界面强化机制 18
4.3.2 分散强化机制 18
4.3.3 尺寸效应分析 19
4.3.4 复杂应力场 19
4.4 力学性能预测模型 19
4.4.1 经验公式建立 20
4.4.2 数值模拟方法 20
4.4.3 数据驱动建模 20
4.4.4 模型验证与优化 21
结 论 22
参考文献 23
致 谢 24
