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摘 要」

环氧树脂是一类具有优异性能的热固性材料，广泛应用于航空航天、车辆工程等领域，但由于其交联结构，环氧树脂韧性较差。其中纳米粒子改性环氧树脂在增韧环氧树脂的同时，其力学性能也有所提升。

本文对三种纳米粒子改性环氧树脂的研究进展进行了综述，包括纳米二氧化硅、石墨烯及衍生物和碳纳米管，对改性效果进行了详细的阐述分析，讨论了增韧机理。   

01

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前言

环氧树脂由于其优异的力学性能、对不同基材良好的粘接性能、低收缩率、耐化学腐蚀等优点，作为胶粘剂、高性能涂层、电子封装材料、复合材料基体等，在工程、汽车、航空航天等领域广泛应用

[1,2]

。

环氧树脂是一种热固性树脂，其高度交联的三维网状结构在赋予环氧树脂优异性能的同时，也使得其韧性较差，限制了其进一步的应用。

因此已有多种不同的方法用于环氧树脂的增韧改性，常见的有液体橡胶改性

[3~5]

、热塑性树脂改性

[6~8]

、纳米粒子改性

[9~11]

等多种方法。

液体橡胶对环氧树脂韧性的提升有良好的效果，但其加入量大，会降低环氧树脂体系的强度以及热学性能。热塑性树脂的加入会影响体系的黏度，使得工艺性能下降。

纳米粒子改性，由于纳米效应在增韧环氧树脂的同时可以增强其力学性能，本文对不同种类的纳米粒子的增韧环氧树脂效果进行了综述，同时探讨了其增韧机理。

02

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二氧化硅增韧

二氧化硅（SiO

2

）作为一种常用的无机填料，已用于多种树脂的增强，同时

用纳米二氧化硅增韧环氧树脂

也得到了广泛的研究。

对于双酚A型环氧树脂/哌啶固化剂体系

[12]

，纳米SiO

2

（20nm和80nm）加入的增韧效果优于微米级别的玻璃微珠，且不会明显改变环氧树脂体系的玻璃化转变温度（Tg），同时根据裂纹透射光显微镜的双折射现象以及Irwin模型对环氧树脂韧性和塑性区域尺寸关系的良好拟合，

说明材料的增韧机理为裂纹尖端的塑性形变。

对于同样的环氧树脂固化剂体系，用另外三种粒径（23nm、74nm、170nm）的纳米SiO

2

研究对环氧树脂体系性能的影响

[13]

，发现SiO

2

的添加对环氧树脂的Tg影响不大，维持在80℃左右。

SiO

2

的加入对环氧树脂体系的热膨胀系数、杨氏模量以及韧性的影响较大，当粒径为23nm的SiO

2

加入的体积分数为30%时，环氧树脂的热膨胀系数降低了55.46%，杨氏模量上升了58%，临界应力强度因子上升了127%。

同时SiO

2

的尺寸对材料的韧性影响不大，但对热膨胀系数影响较大，这是由于随着纳米SiO

2

尺寸的下降，粒子与环氧树脂之间的界面面积增加，使得粒子对环氧树脂基体的约束作用增强，材料玻璃态的热膨胀系数下降。

当纳米粒子尺寸分别为23nm、74nm、170nm时，如图1，通过SEM对断裂面的图像可以看出材料存在少量的脱粘（Debond）现象，同时根据进一步理论模型的分析，判断出材料的增韧机理主要是剪切带和塑性空穴增长。

对于双酚A型环氧树脂/异佛尔酮二胺体系

[14]

，在纳米SiO

2

含量为36%的情况下，材料的临界应力强度因子（K1C）增....