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理论和实验研究均表明,碳纳米管具有优异的力学性能,使其在结构材料和复合材料增强相方面具有广阔的应用前景。双壁碳纳米管是介于单壁和多壁碳纳米管之间的一种重要的一维纳米材料,但目前仍无任何有关其力学性能的实验数据。本论文在合成双壁碳纳米管长丝和薄膜的基础上,研究了该宏观体的力学性能,并对其聚合物基一维至三维复合材料的力学性能展开了系统研究。 以二甲苯为碳源、采用浮动催化裂解法合成了长度达 10 cm 量级、管束连续性和定向性均较好的双壁碳纳米管长丝,对其进行拉伸实验发现,长丝平均拉伸强度和弹性模量分别达到 1.2 GPa 和 16 GPa,对实际起承载作用的双壁碳纳米管束部分,其平均拉伸强度和弹性模量则分别为 6 GPa 和 80 GPa,比强度和比模量分别达到 4.9 GPa 和 56 GPa,表明长丝具有优异的力学性能。采用溶液共混法,将双壁碳纳米管长丝和薄膜在环氧树脂/丙酮溶液中浸泡后制得了复合纤维和薄膜,复合材料的力学性能大致随浸泡液浓度的降低而提高。在 10 vol%浓度时,复合纤维的平均拉伸强度和弹性模量分别比原始长丝提高了 25%和 69%,复合薄膜则较原始薄膜分别提高了 4.4 倍和 3.3 倍,聚合物所起的传递载荷作用使复合材料内各部分碳纳米管束所受应力更为均匀。在 2 wt%的双壁碳纳米管薄膜含量时,采用熔融共混法制得的环氧树脂基层片状复合块体的平均压缩强度和模量较基体分别提高了 49%和 18%,拉伸强度则略有下降。 研究发现,不同延伸率的聚合物基体对双壁碳纳米管长丝的增强效果亦不一样,延伸率与长丝较接近的环氧树脂对长丝力学性能的增强作用优于脆性较大的聚苯乙烯。此外,双壁碳纳米管束的形态对复合材料的力学性能也有影响,管束较短、定向性差的复合材料力学性能亦较差。Raman 光谱分析显示,复合材料拉伸和压缩后双壁碳纳米管的 D~*峰分别向低频段和高频段偏移,表明载荷可通过界面剪切力从聚合物基体有效传递至碳纳米管上。同时,峰形发生变化,试样受拉和受压时 D~*峰分别向低频段和高频段倾斜,表明除峰位偏移外,D~*峰的对称性亦可作为表征碳纳米管所处应力状态的辅助手段。