第23卷第6期2008年11月 热固性树脂 ol. 23 No 6 Thermosetting Resin 纳米改性碳/酚醛树脂基复合材料性能研究 刘毅佳,滕会平,郭亚林 (西安航天复合材料研究所,陕西西安710025) 摘要:针对碳/酚醛树脂基复合材料层间剪切强度低的缺点,采用纳米填料进行改性。测试了2种纳米填料 (纳米碳纤维、碳纳米管)改性后酚醛树脂的热解性能,研究了纳米填料对复合材料力学性能、烧蚀性能以及高 温炭化后力学性能的影响,并观察分析了复合材料测试后的微观形貌。研究结果表明,纳米填料改性后,复合 材料的力学性能、烧蚀性能均有所改善。其中,纳米碳纤维改性后复合材料的常温层间剪切强度达到249MPa 氧乙炔线烧蚀率为2.75μm/s,质量烧蚀率为23.58mg/s。纳米碳纤维表面粗糙,与树脂基体的界面强度高,因 此其改性后的力学性能和烧蚀性能优于碳纳米管。 关键词:纳米碳纤维;碳纳米管;碳/酚醛树脂基复合材料;改性 中图分类号:10323.1;田B383文献标识码:A文章编号:1002·7432·(2008)06·0005-04 Study on properties of carbon/ phenolic resin composite modif ied by nanostuctured materials LIU Y1-Jia, TENG Hui-ping, GUO Ya-lil (Xi an Aerospace Composite Materials Institute 710025, China) Abstract: The nano- filler was used to improve the low inter- laminar shear strength of carbon/ pheplic resin ite. The thermal decomposition performance of phenolic resin mdified by two kinds of nap-filler( carbon nao (ONF) and carbon nano-tubes(NTs))were tested. The effects of nam-fills on composite mechanical property, abla- tion property and the inter- laminar shear strength of composites carbonized at high temperature were studied. The micro morphology of the composites after testing was observed and analyzed. The results showed that mechanical property and ablation property of odified composite were all improved. The inter- laminar shear strength at ambient temperature of composite mdified by CNF was up to 24.9 MPa, oxygen-acetylene line on rate reached 22. 75 um/s erosion rate was 23. 58 me/s. The surface of CNF was rough and the interface strength with resin matrix was higher o the mechanical property and ablation poperty of mdified composite by CNF were better than aNTs Key words: carbon nap- fiber; carbon na- tube; carbon pheplic resin composite; mdification 0引言 展,大量研究表明,将纳米粒子添加到树脂基体 碳酚醛树脂基复合材料工艺性能好,成本低,中,可使脆性材料变韧,韧性材料增强,这为提高 质量稳定性高,且防热、耐烧蚀性能适中,因而广碳/酚醛树脂基烧蚀防热材料的力学性能和烧蚀性 泛应用于固体火箭发动机喷管和导弹的端头等防热能提供了新的研究方向 耐烧蚀部件中2。但现有酚醛树脂在强度和抗烧 美国在上世纪80年代开展了微米级碳粉与石 蚀性能方面并不理想,主要表现在树脂成炭率低以墨粉改性酚醛树脂的研究;近几年,美国的科研工 及树脂炭化后强度下降。因此,对酚醛树脂基体进作者采用纳米粘土MM、纳米碳纤维(CNF)和多 行改性以提高碳/酚醛树脂基复合材料的最终性能面体低聚半硅氧烷(FOS3种纳米材料对SC1008 成为当前耐烧蚀防热材料的研究重点。国内在20酚醛树脂进行了改性,结果表明,纳米材料可明显 世纪70年代初,酚醛树脂性能改性研究中相继出改进酚醛树脂的性能,其中纳米碳纤维对酚醛树脂 现重金属改性酚醛(钼酚醛、钨酚醛等)、杂元素改材料烧蚀性能的改进效果更为明显45。西安航天 性酚醛(如硼酚醛)、苯基结构改性酚醛以及提高酚 醛树脂纯度如高纯氨酚醛树脂、开环聚合酚醛等众【收稿日期】208.03.19:【修回日期】200.04.14 多酚醛树脂体系,但树脂成炭率均不超过60%3。【作者简介】刘毅佳(9→,女,硕士。 近年来,随着纳米材料的研究和纳米科技的迅猛发Eml: nanbaojing@l63.cm o1994-2010ChinaAcademicJOurmalElectronicpUblishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.net纳米改性碳/ 酚醛树脂基复合材料性能研究 刘毅佳 , 滕会平 , 郭亚林 (西安航天复合材料研究所 , 陕西 西安 710025) 摘 要 : 针对碳/ 酚醛树脂基复合材料层间剪切强度低的缺点 , 采用纳米填料进行改性。测试了 2 种纳米填料 (纳米碳纤维、碳纳米管) 改性后酚醛树脂的热解性能 , 研究了纳米填料对复合材料力学性能、烧蚀性能以及高 温炭化后力学性能的影响 , 并观察分析了复合材料测试后的微观形貌。研究结果表明 , 纳米填料改性后 , 复合 材料的力学性能、烧蚀性能均有所改善。其中 , 纳米碳纤维改性后复合材料的常温层间剪切强度达到 2419 MPa , 氧乙炔线烧蚀率为 22175μm/ s , 质量烧蚀率为 23158 mg/ s。纳米碳纤维表面粗糙 , 与树脂基体的界面强度高 , 因 此其改性后的力学性能和烧蚀性能优于碳纳米管。 关键词 : 纳米碳纤维 ; 碳纳米管 ; 碳/ 酚醛树脂基复合材料 ; 改性 中图分类号 : TQ32311 ; TB383 文献标识码 : A 文章编号 : 1002 - 7432 - (2008) 06 - 0005 - 04 Study on properties of carbon/ phenolic resin composite modified by nanostuctured materials LIU Yi - jia , TENG Hui - ping , GUO Ya - lin ( Xi′an Aerospace Composite Materials Institute , Xi′an 710025 , China) Abstract : The nano - filler was used to improve the low inter - laminar shear strength of carbon/ phenolic resin compos2 ite1 The thermal decomposition performance of phenolic resin modified by two kinds of nano - filler(carbon nano - fibers (CNF) and carbon nano - tubes(CNTs) )were tested1 The effects of nano - fills on composite mechanical property , abla2 tion property and the inter - laminar shear strength of composites carbonized at high temperature were studied1 The micro - morphology of the composites after testing was observed and analyzed1 The results showed that mechanical property and ablation property of modified composite were all improved1 The inter - laminar shear strength at ambient temperature of composite modified by CNF was up to 2419 MPa , oxygen - acetylene line - erosion rate reached 22175 um/ s , mass - erosion rate was 23158 mg/ s1The surface of CNF was rough and the interface strength with resin matrix was higher , so the mechanical property and ablation property of modified composite by CNF were better than CNTs1 Key words : carbon nano - fiber ; carbon nano - tube ; carbon / phenolic resin composite ; modification 【收稿日期】2008 - 03 - 19 ;【修回日期】2008 - 04 - 14 【作者简介】刘毅佳(1972 —) , 女 , 硕士。 E - mail : nanbaojing @1631com 0 引 言 碳/ 酚醛树脂基复合材料工艺性能好 , 成本低 , 质量稳定性高 , 且防热、耐烧蚀性能适中 , 因而广 泛应用于固体火箭发动机喷管和导弹的端头等防热 耐烧蚀部件中[1 ,2 ] 。但现有酚醛树脂在强度和抗烧 蚀性能方面并不理想 , 主要表现在树脂成炭率低以 及树脂炭化后强度下降。因此 , 对酚醛树脂基体进 行改性以提高碳/ 酚醛树脂基复合材料的最终性能 成为当前耐烧蚀防热材料的研究重点。国内在 20 世纪 70 年代初 , 酚醛树脂性能改性研究中相继出 现重金属改性酚醛(钼酚醛、钨酚醛等) 、杂元素改 性酚醛(如硼酚醛) 、苯基结构改性酚醛以及提高酚 醛树脂纯度如高纯氨酚醛树脂、开环聚合酚醛等众 多酚醛树脂体系 , 但树脂成炭率均不超过 60 % [3 ] 。 近年来 , 随着纳米材料的研究和纳米科技的迅猛发 展 , 大量研究表明 , 将纳米粒子添加到树脂基体 中 , 可使脆性材料变韧 , 韧性材料增强 , 这为提高 碳/ 酚醛树脂基烧蚀防热材料的力学性能和烧蚀性 能提供了新的研究方向。 美国在上世纪 80 年代开展了微米级碳粉与石 墨粉改性酚醛树脂的研究 ; 近几年 , 美国的科研工 作者采用纳米粘土(MMT) 、纳米碳纤维 (CNF) 和多 面体低聚半硅氧烷 (POSS) 3 种纳米材料对 SC1008 酚醛树脂进行了改性 , 结果表明 , 纳米材料可明显 改进酚醛树脂的性能 , 其中纳米碳纤维对酚醛树脂 材料烧蚀性能的改进效果更为明显[4 ,5 ] 。西安航天 5 第 23 卷第 6 期 Vol123 No16 2008 年 11 月 Nov12008 热 固 性 树 脂 Thermosetting Resin