摘 要：介绍了碳纳米管与环氧树脂复合材料的力学性能、电性能、摩擦性能及吸波性能等;并结合国内外研究现状，探讨了该复合材料制备中存在的问题及发展的方向。
关键词：碳纳米管;环氧树脂;复合材料
碳纳米管(CNTs)是新型的准一维功能材料，具有大的长径比、超高的强度和模量，韧性好，密度低，更兼具特殊的电子学性质。其杨氏模量可达1.0TPa以上，比一般的碳纤维高一个数量级，大约为钢的100倍;拉伸强度达(45±7)GPa，是高强钢的20倍;CNTs含有丰富的п电子，也可以作为导电聚合物，将其与其他聚合物复合，以期得到性能更加优良的复合材料。同时，CNTs还具有很好的柔韧性，最大弯曲角度超过110°，是复合材料的优秀改性剂和理想的功能、增强材料。其超强的力学性能和热稳定性可以极大地改善聚合物基复合材料的强度和韧性，从1991年日本学者发现以来，一直是世界科学研究的热点之一。随着CNTs产量的扩大和质量的提高，其应用开发研究已经取得了一定的进展，其中复合材料是一个重要领域。环氧树脂具有良好的机械性能、电性能和热性能，广泛应用于机械、化工、电子电气和航空航天等领域。环氧树脂最大的缺点是交联固化后质脆，耐冲击和应力开裂的能力较差。在环氧树脂中引入纳米粒子进行改性被证明是一种十分有效的方法，已引起国内外学者的广泛重视。环氧树脂的电绝缘性能好，与其他材料复合后，一般能保持其良好的电绝缘性能，同时又能增强复合材料的黏结性、耐腐蚀性、加工性等，特别是加入导电材料，可以获得具有较高介电常数的复合材料，还能够改善其介电损耗。
1 CNTs与环氧树脂复合材料的性能研究
CNTs/聚合物纳米复合材料的研究最初是从切片过程中CNTs的取向开始的。Ajayan等[7]通过机械搅拌制备了多壁碳纳米管(MWNTs)在环氧树脂基体中的定向排列复合材料。Jin等[8]同样研究了MWNTs在环氧树脂基体中定向排列复合材料的制备，通过热塑性聚合物与CNTs分散在氯仿中，然后浇铸得到复合材料。在100℃时，CNTs可以达到同方向伸展，并且除去外力后在室温下仍然可以达到同方向伸展的复合材料。Bower等通过X-射线衍射和透射电镜研究了该材料的同向性和同向程度。
CNTs在增加复合材料摩擦性能方面也有很大的作用。Zhang L C等[24]研究了CNTs增强环氧树脂的摩擦性能。研究表明：CNTs相对于环氧树脂的表面覆盖面积比例是影响复合材料摩擦性能的重要因素，当这个值大于25%时，摩擦率减少了5.5个因子，高的表面覆盖面积比例能提高摩擦性能的原因是在摩擦表面暴露的CNTs能够起到保护环氧树脂基体的作用。
陈晓红等采用浇铸法，利用超声分散制备了MWNTs/环氧树脂纳米复合材料，研究了CNTs的添加量及分散程度对复合材料表面形貌和摩擦磨损性能的影响。结果表明：随着CNTs加入量的提高(1%~4%)，复合材料的摩擦系数和磨损率均呈现降低趋势，摩擦系数由0.60降到0.22，磨损率由1.11×10-4mg/(N?m)降为2.22×10-5mg/(N?m)。在CNTs添加量(1%)相同的情况下，其分散程度高的复合材料的摩擦性能更好。纯环氧树脂与45#钢对磨时发生黏着磨损和疲劳剥落，而由于纳米管的增强和自润滑作用，CNTs/环氧树脂复合材料的黏着磨损和疲劳剥落明显减轻。
王振家等研究了耐腐蚀材料环氧树脂中添加适量的CNTs粉末，以改善环氧树脂涂层的耐磨损性能。结果表明：环氧树脂基体中添加MWNTs，可以增强材料的摩擦磨损性能。当添加10%的CNTs粉末时，改性环氧树脂涂层的耐磨性能提高到226%。张爱波研究了MWNTs含量、超声分散时间、超声分散方式对环氧复合材料摩擦磨损性能的影响，并探讨了复合材料摩擦磨损机理。结果表明：MWNTs添加量为1.5%时，MWNTs/环氧树脂复合材料比环氧树脂摩擦系数降低17.8%，磨耗率降低91.7%;加入MWNTs降低了复合材料黏着磨损与疲劳剥落;延长超声波处理时间及采用高功率超声波仪器能够有效提高MWNTs分散程度，提高复合材料摩擦磨损性能。
1.4吸波性能
CNTs特有的螺旋、管状结构，使其具有不同寻常的电磁波吸收性能。利用CNTs的吸波隐身特性，将其作为吸波剂添加到聚合物中，能制备出兼备吸波性能和优越力学性能的吸波隐身复合材料，已成为研制新一代吸波隐身材料的重要方向之一。
将不同管径(10~100 nm)的MWNTs填加到环氧618与环氧6360的混合物中，经过搅拌分散、除气泡、浇铸，并固化成型，研究其在微波频段的吸波性能和对环氧聚合物力学性能的影响。采用波导同轴法测试了复合材料在3.9~12.4GHz的吸收曲线，并测试了复合材料的拉伸性能。结果表明：不同管径的MWNTs在微波频段均有较好的吸收性能。
采用KOH活化处理后的CNTs进行化学镀钴，然后均匀分散在环氧树脂中制成CNTs/环氧树脂复合材料。用弓型法测量在2.0~18.0GHz频段内的雷达吸波性能。结果表明：CNTs表面镀钴后，其磁性能和导电性能得到了明显改善，复合材料的吸收峰成功的移至X波段，吸收峰(R<-10dB)的带宽明显拓宽，吸收强度也有所增强。
CNTs/环氧树脂复合材料的制备与性能研究，在制备方法、结构表征与性能研究等方面近年来取得了长足的进步，CNTs改性环氧树脂已经成为目前环氧树脂改性的一种重要途径。目前的研究表明：CNTs/环氧树脂复合材料具有很好的力学性能、热性能、电性能、吸波性能等，已经成为聚合物基纳米复合材料中最具潜力的材料之一。但仍存在一些问题，主要包括：CNTs在环氧树脂中的部分团聚、难以定向排列、纯度低、成本高等问题[36]。以后的研究应朝着一些新的方面发展：(1)研究影响CNTs/环氧树脂复合材料性能的因素，包括CNTs的类型、纯度、长径比、缺陷密度、制备方法以及CNTs的添加量、分散状况和排列情况等;(2)CNTs的功能化，这是提高其在环氧树脂基体分散性和改善其界面黏结最常用和最有效的方法，经过改性的CNTs对提高树脂的各项性能有很大的影响;(3)添加不同性质的化合物，有针对性地提高材料某一方面的性能，如在CNTs表面镀上具有磁性的金属纳米粒子，然后再与环氧树脂复合，以提高复合材料的磁性能和吸波性能;或者加入有机蒙脱土，发挥有机蒙脱土和CNTs对环氧树脂协同增强和增韧的作用(4)将高能超声、高速剪切分散、表面活性剂、CNTs的化学修饰和改性以及复合材料的制备工艺相结合，提高添加物在环氧树脂中的分散程度和取向性，以制备综合性能更加优良的复合材料。
