高压均质分散技术助力CNT复合材料性能升级

高压均质分散技术助力CNT复合材料性能升级

炭纤维增强树脂基复合材料（CFRP）具有高比强度、高比刚度、优异的耐腐蚀性、可设计性强、可一体化成型等优点，在航空航天、汽车、海军、武器和民用基础设施等领域具有广泛应用。但CFRP在实际应用过程中会出现纤维脱粘、纤维断裂和层间分层等问题，其中层间分层是最严重的失效形式之一。

碳纳米管（CNT）作为增强体

碳纳米管（CNT）是一种具有优异力学性能的一维纳米材料，能够通过拔出、微裂纹和裂纹桥联等方式增强CFRP，是改善CFRP机械性能的理想增强体。

CNT/CFRP制备方法的挑战

由于CNT管间存在较强的范德华力，管与管之间容易相互缠绕在基体中形成团聚，受力时形成应力集中区域，影响CNT/CFRP的性能。目前制备CNT/CFRP的方法主要有两种：

1. 通过化学方法使CNT与炭纤维直接相连，从三维结构上制备CNT/CFRP。但是CNT容易在炭纤维表面缠结，影响基体的浸润和材料整体的性能，另外涉及的工艺、设备要求较高，目前还无法投入大规模生产应用。

2. 通过物理方法如机械搅拌、超声、三辊分散等，将CNT与树脂混合，然后引入CNT/CFRP中。但是大量的实验表明，加入溶剂或对CNT进行功能化处理的方法可以降低基体的黏度、改善CNT分散时的团聚问题，但是有机溶剂不易回收，微量的溶剂残留会影响CNT/CFRP样品的宏观性能，而功能化处理容易造成CNT部分性能的损伤。

因此，如何在树脂基体中实现CNT的均匀分散是一个亟需解决的难题。

高压均质分散技术的应用

通过高压均质机对CNT进行预处理，可以打开CNT管束间的缠绕，提高CNT在环氧树脂中的分散性与稳定性，获得分散均匀的CNT改性树脂。所制备的CNT/CFRP的层间剪切强度也有所提升。

CNT分散前后外观对比

使用设备：ATS AH-BASIC 2

通过观察SEM图（左）和TEM图（右）可以看出经过高压均质机分散处理后，相同质量下CNT体积明显变大且网络疏松，管间团聚现象得到了明显地改善。

CNT改性树脂光学显微镜图

左：未分散，右：分散后

未分散的CNT多以缠绕起来的几十微米大小的团簇存在于树脂中，结构紧密，基本看不到透过的光线，CNT分布不均匀。高压均质机分散后的CNT在树脂中均匀分布且无明显的团聚现象。

CNT/CFRP微观样貌

使用高压均质机分散后的CNT改性树脂制备的CNT/CFRP，CNT有效地增强了复合材料的层间性能。当CNT含量为1.00%时，复合材料的层间剪切强度达到最大值85.1 MPa，提高了37.9%。

参考文献：
刘婉玥, 杨文刚, 姜欣荣, 程晓英, 吕卫帮. 碳纳米管预分散及其对复合材料层间剪切力学性能影响研究. [j]炭素技术. 2021