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环氧/MWCNTS和环氧/Al2O3纳米复合材料的力学和动力学行为

*通信:

穆罕默德SM埃及开罗本哈大学Shoubra工程学院机械工程系电话:+ 841673326268;电子邮件: (电子邮件保护)

摘要

研究了环氧/MWCNTs和环氧/Al2O3纳米复合材料的力学和动力学行为。测试了两种纳米复合材料的拉伸和冲击性能。采用自由振动试验来测量频率响应和阻尼因子。结果表明，机械性能和阻尼系数都有所降低。纳米填料的质量分数对频率响应和阻尼因子有较大影响。MWCNTs增强了环氧树脂与纳米管之间的结合，从而降低了耗散能力能源以及刚度的改善。结果还表明，随着纳米填料质量百分比的增加，纳米复合材料的固有频率增加。纳米复合材料的阻尼系数随力学性能的变化有相同的下降趋势。

关键字

纳米复合材料;拉伸性能;固有频率;阻尼因子

简介

近年来，利用纳米复合材料技术提高材料的性能、力学性能和动态性能受到了广泛的关注[1，2］．特别是在聚合物基纳米复合材料中加入少量强纳米填料。认识到其独特的性质，它已用于广泛的应用，如航空航天工业，飞机，涂料，汽车和海洋工程[3.］．在各种类型的聚合物基体中，环氧树脂是用于先进纳米复合材料的最多的聚合物基体。环氧树脂基体对嵌入钢筋具有较高的刚度和良好的附着力。

最近研究文章重点关注MWCNTs嵌入的聚合物基质。由于其独特的特性，它们提供了更多的优势，并吸引了科学和工业的兴趣[4］．在聚合物基体中加入少量MWCNTs可提高复合材料的刚度。然而，MWCNTs的比表面积大，导致其团聚能力差，分散不均匀，导致纳米复合材料强度下降压力聚合物基质中的浓度[5］．人们认识到碳纳米颗粒可提高聚合物基体的屈服率和断裂强度[6-9］．然而，Laurenzi等人。[10]表明MWCNTs增强环氧树脂基体的拉伸性能下降。

陶瓷-聚合物纳米复合材料具有巨大的工业应用潜力。它们结合了硬度、刚度和耐磨性陶瓷以及聚合物的弹性[11］．纳米材料定义为尺寸小于100纳米的纳米粒子[12］．许多研究表明，纳米材料表现出增强的性能，随着纳米颗粒含量的增加而向前推进[13］．陶瓷纳米颗粒，如铝₂O_3.在纳米复合材料技术中发挥着重要的作用，因为它们能够增强纳米复合材料的力学特性。它们的纳米尺度和特殊的普通特性使其成为多功能复合材料和结构的独特纳米填料[14］．许多研究者研究了纳米颗粒对纳米复合材料性能的影响。Devendra等人。[15]表明，添加不同量的Al会降低环氧树脂基体的拉伸性能和冲击性能₂O_3.．

在过去的几年中，抗冲击噪声和振动已成为最重要的。从这个角度来看，机械阻尼器已经被研究和开发，因此，阻尼材料的利用是产生有效阻尼以消除振动和噪声的关键。阻尼材料必须具有良好的减应变能力能源当受到振动载荷时。已广泛应用于建筑、航空航天、船舶等高性能结构应用领域。阻尼是结构设计中一个重要的模态参数，其中循环加载和振动控制至关重要。不同环境参数，如应力幅值、频率、静预紧力和温度对阻尼的影响。阻尼还受晶粒尺寸、腐蚀疲劳、疲劳循环次数和孔隙率的影响[16］．

很少有研究人员研究了MWCNTs和Al的作用₂O_3.高分子复合材料的阻尼性能研究。Kordani等人。[14]研究了不同wt%多壁碳纳米管增强聚合物纳米复合材料的固有频率增强。Shiuh等人表明，随着MWCNTs wt%加入环氧树脂基体，阻尼比降低。人等。[17]研究了MWCNTs加入聚合物基纳米复合材料后韧性和阻尼性能的下降。Khashaba [18]研究了环氧树脂/铝的频率提高₂O_3.纳米复合材料。

在本研究中，环氧/MWCNTs和环氧/Al的力学和动力学行为₂O_3.研究了纳米复合材料。研究了纳米复合材料wt%对复合材料力学性能、固有频率和阻尼因子的影响。结果表明，阻尼性能随韧性和抗拉强度的降低而降低。

实验的程序

本研究以环氧树脂(Kemapoxy 150)为聚合物基体，一般化学式见图1．通过加入内径为20 nm、外径为30 nm的多壁碳纳米管和铝制备了纳米复合材料₂O_3.纳米粒子的平均直径为10纳米。图2 (a)和(b)为Al的TEM图像₂O_3.分别为纳米颗粒和MWCNTs。它是在图2 (a),阿尔₂O_3.纳米颗粒几乎呈针状和不规则球形，也是纳米Al的大小₂O_3.比例很好。图2 (b)结果表明，纯化后的多壁碳纳米管表面形貌光滑均匀，外径与供应商提供的数据基本一致。在树脂中加入0.25 wt%、0.5 wt%、0.75 wt%和1 wt%的纳米填料制备纳米复合材料，然后使用SUPERMIX均质机(型号为沉积物)在室温下机械搅拌20分钟，然后将硬化剂按质量比2:1加入到混合物中，然后再次机械搅拌10分钟。根据测试标准，浇注在硅模具中的混合物具有适合所需测试的尺寸。最后，根据环氧树脂基体的规格，让混合物在室温下完全硬化7天。

根据ASTM D 638-03标准，使用(Instron)万能试验机进行纳米复合材料的拉伸试验，负载元件为5 KN，恒速为10 mm/min。每种条件测试三个样本。通过对载荷位移结果的分析，计算了纳米复合材料试样的抗拉强度。

按DIN-ISO179进行夏比冲击试验。采用矩形尺寸为80 × 10 × 4 mm3的缺口试样测试复合材料的冲击强度。夏比冲击强度试验机(HIT 50P Zwick/Roell)与摆锤配合使用能源0.5焦耳，室温下倾角(下降角)106.38o。支架之间的距离设置为60 mm。每种条件下测试3个试样，并报告数据的平均值。

200 × 20 × 4 mm的矩形试样^3.被检查。制备了不含纳米填料的复合梁和含MWCNTs和Al的复合梁₂O_3.作为试件进行阻尼试验。为了研究阻尼因子和固有频率特性，使用如图所示的振动测试设备进行了实验研究图3．在试样一侧附加力传感器(BK8230)来测量输入力。在样品的另一侧附加加速度计(DeltaTron-4507 B)来检测加速度。数据采集、振动分析软件(LabVIEW)和计算机显示分析结果。样品在自由-自由边界条件下，由激振器(BK4828)激发。频率响应函数(FRFs)在常规模态测试程序中使用分析仪进行检查。

结果与讨论

纳米复合材料的抗拉强度

表1展示了两种纳米复合材料的力学和动力学性能。表中结果表明，相对于韧性降低，阻尼因子降低。图4。(a)及(b)表示环氧/MWCNTs和环氧/Al的极限拉伸强度₂O_3.纳米复合材料，分别为不同的wt%。图5．为纯环氧树脂和两种纳米复合材料的平均拉伸结果。总的来说，结果表明，MWCNTs和Al的分散性₂O_3.纳米颗粒会降低纳米复合材料的极限抗拉强度。环氧/MWCNTs纳米复合材料的抗拉强度略高于环氧/Al纳米复合材料₂O_3.纳米复合材料。环氧树脂/铝的抗拉强度₂O_3.随着Al的增加而增加₂O_3.纳米颗粒增加到0.75 wt%，然后下降到1 wt%。增加的原因是硬陶瓷纳米颗粒均匀分布在环氧树脂基体中。另一方面，纳米复合材料中过量的纳米填料导致了基体连续性的破坏和空洞的形成。这些结果与Gojny等人一致。[20.］．

表1:环氧纳米复合材料的力学和动力学性能。

图6 (a)和(b)显示了压力环氧/MWCNTs和环氧/Al的应变行为₂O_3.纳米复合材料。结果表明，纳米填料的加入降低了断裂应变。在断裂应变的影响很小，观察到wt. %的纳米填料，如图5 (a)和(b)．应变的降低可能是由于刚性纳米填料掺入到聚合物基质中;这表明纳米复合材料的脆性行为是由于纳米缺陷的形成导致的压力在基质中的浓度。

影响能源纳米复合材料

材料的冲击性能与韧性直接相关[21］．图7 (a)和(b)显示了影响能源环氧/MWCNTs和环氧/Al₂O_3.纳米复合材料，分别适用于不同值的每个样品。冲击平均值的变化能源纳米复合材料中所含纳米填料的wt%示于图8．结果表明，无论是环氧/MWCNTs还是环氧/Al₂O_3.纳米复合材料的影响略低能源比干净的环氧树脂。环氧树脂/ Al₂O_3.纳米复合材料表现出更高的冲击力能源环氧树脂/多壁碳纳米管纳米复合材料。这是由于铝之间良好的结合强度₂O_3.与基体相结合，有效地防止了裂纹的萌生。

MWCNTs的加入会降低整齐环氧树脂的冲击强度。这可能是由于多壁碳纳米管的脆性，其形成团聚的能力，从而导致压力浓度。Haiyan等人也观察到了类似的结果。[22］．随着纳米填料的加入，聚合物的冲击性能下降，这可能是由于聚合物基体吸收冲击能量的能力较弱。这种现象是由于矩阵的连续性被填充物打断，而每个填充物都是一个位置的压力浓度，可作为裂纹引发剂，降低复合材料的附着力和吸收能力能源［15］．

断口表面SEM显微照片

扫描电镜检查反映了故障原因的详细信息。中显示了整齐环氧树脂和纳米复合材料拉伸断口表面的扫描电镜图像图9而且10 ()骨折表面光滑图9在100倍和2000倍的放大倍率下，均为脆性断裂。

图10 (a)及(b)分别为环氧/0.25 MWCNTs和环氧/1 MWCNTs的断裂行为，断口表面变得粗糙，如表面所示;MWCNTs在环氧树脂基体中实现了良好的随机分布。环氧/MWCNTs纳米复合材料断裂表面粗糙是由于裂纹扩展导致的压力从基体到钢筋。这些裂纹降低了纳米复合材料相对于整齐树脂的抗拉强度。图10 (c)显示了MWCNTs纳米复合材料的EDS谱，可以看出包覆过程中，包覆层的MWCNTs元素中含有钙、碳、氧和金。钙杂质的团聚可能导致纳米复合材料的拉伸性能下降。

图11。(a)及(b)为环氧树脂/0.25% Al的扫描电镜形貌图₂O_3.环氧树脂/1%铝₂O_3.纳米复合材料,分别。可以注意到，较亮的区域反映了铝₂O_3.灰色区域为环氧树脂基体。当在复合材料中加入0.25 wt%的纳米颗粒时，大部分区域被聚合物相覆盖，如图所示图11 (a)．然而，Al₂O_3.当Al含量增加时，可得到纳米颗粒₂O_3.如中所示，纳米颗粒增加1 wt%图11 (b)．图11 (c)示Al的EDS谱₂O_3.纳米复合材料中，Al₂O_3.用非常少量的钙，碳，氧和金从涂层过程。

图12。说明了两种纳米复合材料的频率响应随wt%增加的变化规律。从这些结果中可以看出，加入纳米填料后，其动态特性发生了显著变化。加入多壁碳纳米管和铝后，频率响应增强₂O_3.纳米颗粒到环氧树脂基体。阐明了多壁碳纳米管增加了环氧树脂基体的固有频率。MWCNTs与环氧树脂基体的粘附性是影响其刚度的最主要因素。环氧树脂/多壁碳纳米管纳米复合材料的刚度越高，其固有频率越高[5］．虽然加入1wt %的多壁碳纳米管后，其浓度缓慢降低，但仍高于整齐环氧树脂基体的数值。Al的加入₂O_3.纳米颗粒对环氧树脂基体的作用增加了固有频率。两种纳米复合材料的比较表明，环氧/铝复合材料的固有频率较低₂O_3.纳米复合材料的性能远高于环氧树脂/多壁碳纳米管复合材料。这些结果表明纳米复合材料的固有频率优于整齐的环氧树脂基体。

示出纳米填料wt%的加入对复合材料阻尼比的影响图13．可以观察到，随着MWCNTs和Al的加入，阻尼比逐渐降低₂O_3.纳米颗粒到环氧树脂基体。MWCNTs增强了环氧树脂与纳米管之间的结合，从而降低了耗散能力能源以及刚度的改善。铝之间良好的附着力₂O_3.纳米颗粒与环氧树脂基体的耗散较小能源纳米复合材料的阻尼比更小[5］．所示的力学结果反映了这些结果图6而且8．

结论

两种不同类型的纳米填料MWCNTs和Al₂O_3.均用于本研究。MWCNTs和Al₂O_3.对其力学性能进行了研究。采用自由振动试验研究了纳米复合材料的动态行为。MWCNTs和Al的加入₂O_3.纳米复合材料的拉伸强度和冲击强度均下降。在聚合物基体中加入刚性纳米填料表明了复合材料的脆性，降低了断裂时的应变。环氧/MWCNTs和环氧/Al的固有频率₂O_3.纳米复合材料随MWCNTs和Al的增加而增加₂O_3.加载时阻尼比减小。MWCNTs与环氧树脂基体的良好附着力使其具有较高的刚度，从而使其具有较高的固有频率和较低的阻尼比。

鸣谢

作者感谢本哈大学Shoubra工程学院为开展这项研究提供资金和技术支持。

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