一种基于导电网络的碳纤维/酚醛树脂增强复合材料

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种基于导电网络的碳纤维/酚醛树脂增强复合材料。

背景技术

碳纤维增强复合材料具有质量轻，强度高以及耐腐蚀等优异的性能，在近年来的工业发展中被广泛应用。在复合材料的性能评价中，界面起着关键的作用。为了改善复合材料的性能，可以通过设计多样的复合结构，从而使其形成更加充分的浸润和机械啮合；或者通过引入可以化学键合的不同官能团进而增强两相的相互作用力等等。近年来，微米和纳米级材料由于具有利于提升各方面性能结构的功能越来越成为研究热点。同时，较小的体积和复杂的构造能够增大比表面积，当这些粒子附着到碳纤维表面时，可以促进界面上纤维和基体的浸润，当有外力施加到部件上时，使其均匀受力。按照维度，这些粒子可以分为零维、一维和二维，将不同维度的材料组合起来则可构建性能更优的网络结构。

已经有不少研究将纳米粒子结合起来对碳纤维进行增强。

CN108610628A公开了一种改性碳纤维/纳米芳纶纤维的复合材料及其制备方法，其是将预处理的碳纤维通过多巴胺进行改性后浸入DMSO溶液中，经过一系列搅拌、过滤、洗涤等操作后得到阳离子化的改性碳纤维，同时将芳纶纤维与DMSO溶液和碱固体混合，最终得到纳米芳纶纤维。将上述两种产物进行共混操作得到的改性碳纤维/纳米芳纶纤维复合材料具有密度小，强度高和模量高等特点。

CN108864685A公开了一种提高热塑性碳纤维复合材料力学性能的界面组装结构及方法，其是将碳纤维均匀分散在氧化石墨烯溶液中经过干燥后得到氧化石墨烯包覆碳纤维，将产物与聚苯醚熔融共混后即得复合材料。采用这个发明方法制备得到的聚苯硫醚具有优异的机械性能。

CN108755126A公开了一种通过电化学聚合改性表面处理碳纤维的方法及碳纤维复合材料，该方法以碳纤维为阳极，石墨板为阴极，使碳纤维表面发生电化学聚合反应形成三维立体网格式结构，以此来改变碳纤维的表面状态。最终能够增加与树脂基体的锚定点，提高了复合材料的力学性能。

Qin等(Materials(Basel),2020,13(6),1457.)采用纤维上浆法将石墨烯纳米片和碳纳米管同时沉积在碳纤维表面，发现GNPs/CNTs混合涂层CFRP复合材料的层间抗剪强度比非涂层CF复合材料高90％；与非涂层CF相比，GNPs/CNTs混合涂层的CFRP复合材料的抗弯和抗拉强度分别提高了52％和70％。

但是现有技术中导电纳米粒子是通过喷涂，混合，浸渍等方式来实现导电纳米粒子和复合材料的结合，这种情况下存在分散不均匀，形貌不够完善，不能形成理想导电网络等缺陷。

发明人在前的专利CN114874470A公开了一种改性碳纤维/酚醛树脂复合材料，其是将碳纤维依次经过高温处理、电化学氧化、多异氰酸酯接枝改性，电化学沉积碳纳米管得到。在碳纤维表面引入了更多的活性基团，使碳纤维和酚醛树脂产生更多的共价化学反应。碳纳米管在碳纤维表面的电化学沉积能够增加纤维的表面粗糙度，增大和酚醛树脂的接触面积，加强二者的界面咬合作用；另一方面，碳纳米管能够提高碳纤维复合材料的性能。但是该专利方法操作繁复，需要高温处理、电化学氧化、多异氰酸酯接枝改性的处理，制备工艺复杂，成本高昂，距离工业化的规模应用还有一定距离。此外，复合材料在制成成品后，很难通过已有的方法监测复合材料在使用过程中的内部损伤情况。本发明通过添加碳纳米管等导电纳米碳材料，赋予了酚醛树脂以电学性能，探究复合材料的力-电耦合性能，就可以通过测试电阻率的变化来监控复合材料在使用过程中的损伤情况。

发明内容

为了探究界面修饰的碳纤维/酚醛树脂增强复合材料中力-电耦合关系，本发明提供了一种碳纤维/酚醛树脂复合材料界面修饰和内部导电网络构建的方法，拓展碳纤维/酚醛树脂复合材料的功能化，为开拓此类材料在力-电耦合的应用领域提供了新思路。

为了实现本发明的技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于导电网络的碳纤维/酚醛树脂增强复合材料，包括以下原料：碳纤维材料，酚醛树脂，纳米导电碳材料；所述纳米导电碳材料通过电化学沉积在碳纤维表面，以及物理分散在酚醛树脂中；所述基于导电网络的碳纤维/酚醛树脂增强复合材料是经过纳米导电碳材料修饰的碳纤维材料上涂抹含有纳米导电碳材料的酚醛树脂后，经过热压固化得到；所述纳米导电碳材料为碳纳米管和石墨烯的复配。

进一步地，所述纳米导电碳材料为碳纳米管和石墨烯按照质量比1-4：1的复配。

进一步地，所述碳纤维，酚醛树脂和纳米导电碳材料的质量比为1-2：1-2：0.001-0.005，优选1-1.5：1：0.001-0.003。

进一步地，纳米导电碳材料通过电化学沉积在碳纤维表面包括以下步骤：将纳米导电碳材料和醇水溶液配制为质量浓度为3-5wt％的分散液作为电解液，在电解电压5-6V条件下，进行电化学沉积，电化学沉积时间5-15min。在上述浓度的电解液，电解电压和电化学沉积条件下，能够得到合适形貌的在表面修饰有碳纳米管和石墨烯的碳纤维材料。经过表面修饰后的碳纤维材料表面活性基团(如-OH、-COOH、-C＝O、-C-O-C等)含量增加，同时碳纤维表面粗糙度增大，两者协同作用，共同增加了碳纤维和树脂之间的亲和作用。此外，碳纤维和石墨烯，与碳纤维之间共同构成了导电网络，有利于电子在复合材料的三维空间中传导，提高了碳纤维材料的力电耦合作用。

所述含有纳米导电碳材料的酚醛树脂的制备包括以下步骤：将纳米导电碳材料和醇水溶液配制为质量浓度为1-5wt％的分散液作为浆料，和酚醛树脂均匀混合，使含有纳米导电碳材料的酚醛树脂中纳米导电碳材料的质量浓度为0.1-0.5wt％。

所述醇水溶液为C1-4的低碳醇和水的醇水溶液，醇浓度为70-90％。比如70-80％的乙醇水溶液。

更进一步地，在纳米导电碳材料通过电化学沉积在碳纤维表面时，纳米导电碳材料为碳纳米管和石墨烯按照质量比1-3:1的复配，优选为2-3:1的复配；在含有纳米导电碳材料的酚醛树脂中，纳米导电碳材料为碳纳米管和石墨烯按照质量比1-1.5:1的复配。发明人发现，在含有纳米导电碳材料的酚醛树脂中，当碳纳米管:石墨烯的比例为1:1时，增加了纳米材料的聚集程度，很难在碳纤维表面得到较为均匀完整的导电网络。当碳纳米管:石墨烯的比例为2:1时，碳纳米管用量稍多于石墨烯，更有利于纳米碳材料的分散，不易形成团聚。在进行电化学沉积时，纳米导电碳材料中碳纳米管的比例比石墨烯高，有利于得到较为规整的导电网络的碳纤维形貌。所得表面修饰的碳纤维比表面积更大，纳米导电碳材料在碳纤维表面的分布更加均匀，形成的导电网络更加稳定。

发明人预料不到地发现发现，按照上述方法，在纳米导电碳材料通过电化学沉积在碳纤维表面时，和纳米导电碳材料和酚醛树脂混匀时，纳米导电碳材料中碳纳米管和石墨烯的比例不同，电化学沉积时，碳纳米管的用量是石墨烯的2-4倍；和酚醛树脂混匀时，碳纳米管的用量是石墨烯的1-1.5倍。按照此范围，所得复合材料的力学性能最优，而且力-电耦合关系也满足需求。

所述碳纤维材料没有特别的限定，比如碳纤维丝，碳纤维布；本领域常规碳纤维材料即可，在本发明一个具体实施方式中，所述碳纤维为牌号是CF3031碳纤维布，或者T300的碳纤维布。碳纤维材料在使用前，需要进行高温处理除去上浆剂，所述高温处理是在400-500℃处理2-4h。

在本发明一个更为具体的实施方式中，经过纳米导电碳材料表面修饰处理的碳纤维布，涂抹含有纳米导电碳材料的酚醛树脂后，按照4-10层碳纤维布叠加，得到层压板，层压板进行热压固化得到本发明基于导电网络的碳纤维/酚醛树脂增强复合材料。

所述酚醛树脂没有特别的限定，本领域常用的酚醛树脂皆可。比如本发明采用RTM型酚醛树脂，可应用于体积大和结构复杂的复合材料制件整体成型。所述RTM型酚醛树脂的制备方法为本领域所熟知。在本发明一个具体实施方式中，所述RTM型酚醛树脂通过包括以下步骤的制备方法得到：反应容器中加入苯酚，甲醛，碱性催化剂，抽真空，在80-90℃反应，最后调节pH为中性，真空脱水，得到RTM型酚醛树脂。进一步地，苯酚和甲醛的摩尔比为1.2-1.4：1；所述碱性催化剂选自氢氧化钡。

进一步地，所述热压固化是在90-170℃的温度梯度下进行。在本发明一个优选实施方式中，热压固化是在90-110℃保温1-1.5h，在130-150℃保温0.5-1h，最后再150-170℃保温0.5-1，完成固化。所述热压固化是将多层叠放蒸汽的碳纤维布放入模具，上下表面各覆盖一层模压纸，将模具放入平板硫化仪中，设置热压温度和时长。

本发明还提供了所述基于导电网络的碳纤维/酚醛树脂增强复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(S1)将纳米导电碳材料I分散在醇水溶液中配制为质量浓度3-5wt％的分散液I，以分散液I作为电解液，以碳纤维布作为阳极，放入到装有所述分散液的电沉积反应槽中进行电化学沉积，电化学沉积后，取出碳纤维布，烘干，得到表面修饰的碳纤维布；

(S2)将纳米导电碳材料II分散在醇水溶液中配制为质量浓度1-5wt％的分散液II，将酚醛树脂和分散液II均匀混合，使酚醛树脂中纳米导电碳材料的质量浓度为0.1-0.5wt％，得到含有纳米导电碳材料的酚醛树脂；

(S3)将步骤(S2)所得含有纳米导电碳材料的酚醛树脂均匀涂抹在碳纤维布的正反面上，重复涂抹并将涂抹后的碳纤维布上下叠加，得到4-10层的碳纤维布，进行热压固化。控制酚醛树脂的涂覆量，使碳纤维布和酚醛树脂的质量比为1-1.5：1。

进一步地，步骤(S1)中，纳米导电碳材料I为碳纳米管和石墨烯按照质量比2-4:1的复配；步骤(S2)中，纳米导电碳材料II为碳纳米管和石墨烯按照质量比1-1.5:1的复配。

进一步地，步骤(S1)中，进行电化学沉积时，阴极为金属铂，电解电压为5-6V，电化学沉积时间5-15min。

进一步地，步骤(S3)中，碳纤维布和酚醛树脂的质量比为1-1.5：1。所述热压固化是在90-170℃的温度梯度下进行。在本发明一个优选实施方式中，热压固化是在90-110℃保温1-1.5h，在130-150℃保温0.5-1h，最后再150-170℃保温0.5-1，完成热压固化。

本发明的电化学沉积表面改性碳纤维，完成了碳纳米管和石墨烯在碳纤维表面均匀有效的沉积，石墨烯片填补了碳纤维表面的凹陷，而部分碳纳米管则在凹陷两边形成桥接。两者协同作用共同使碳纤维表面活性基团含量增加，并且比表面积增大，增加了和聚合物树脂的咬合作用，提高了材料的力学性能；此外，碳纳米管和石墨烯构筑了导电网络，富裕了材料力-电耦合的性能。

碳纤维增强复合材料层压板是将树脂均匀涂抹在纤维布上，重复步骤得到五层纤维布，将五层碳纤维布上下叠加，在温度梯度下热压固化得到。所述电化学沉积表面改性碳纤维通过电化学沉积将碳纳米管和石墨烯修饰在碳纤维表面得到。所述树脂是不同含量碳纳米管/石墨烯混合的RTM酚醛树脂。

图1是本发明电化学沉积到碳纤维布上的装置示意图，电化学沉积处理过程是通过溶液中带电粒子的运输作用将纳米粒子沉积到碳纤维表面。

图2是本发明层压板制备过程示意图。在这个过程中，将经过电化学沉积处理碳纤维布表面均匀浸涂上酚醛树脂，五层叠加热压制备层压板。随后，将层压板放在切割机上切割成一定尺寸的样条。

图3是表面改性碳纤维/酚醛树脂复合材料的界面结构示意图。在碳纤维和酚醛树脂之间界面力电耦合作用增强的主要原因在于几个方面：第一，在电化学沉积过程中碳纤维的表面会引入部分的活性官能团，例如-OH、-COOH、-C＝O、-C-O-C等。电化学沉积增加纤维的表面粗糙度，增大纤维与树脂间的接触面积，加强两者的界面机械啮合作用；第二，碳纳米管和石墨烯均为导电碳材料，可以与碳纤维形成大π键，有利于电子传导。并且一维的碳纳米管和二维的石墨烯在三维网络结构中发挥协同作用，进一步提高碳纤维复合材料的界面性能和力电耦合作用；第三，树脂基体中形成的碳纳米管/石墨烯三维导电网络结构，更加有利于电子在三维空间中传导。

本发明取得了以下有益效果：

一、对碳纤维进行表面修饰，改变碳纤维表面的分子结构、官能团结构、纳米材料分布，设计出多尺度的表面形貌，增强了碳纤维与树脂基材的接触面积，有效的提高了复合材料的界面结合力，最终达到提高碳纤维/酚醛树脂复合材料的力电耦合性能的目的。

二、在酚醛树脂中加入一定含量的纳米导电碳材料，与表面修饰有纳米导电碳材料的碳纤维材料相互配合，共同增强了复合材料的力学性能。同时碳纳米管和石墨烯相互配合，构筑了稳定的三维导电网络，赋予了复合材料力-电耦合的性能。

三、本发明在碳纤维进行表面修饰以及在酚醛树脂中加入的纳米导电碳材料中，碳纳米管和石墨烯的比例是不一致的，在碳纤维进行表面修饰时，碳纳米管的含量高于石墨烯；而在酚醛树脂中，碳纳米管和石墨烯用量相当或者略高于石墨烯。如此是为了匹配最终所得复合材料的界面形貌，以期达到最佳的性能。

四、本发明不仅提高了碳纤维/酚醛树脂复合材料的界面结合力，也进一步增强复合材料的力电耦合性能。同时通过电阻测量结果建立了材料结构、力学性能和电性能之间的关系，为复合材料的电阻抗测量技术提供新的思路。

附图说明

图1为电化学沉积处理装置示意图；

图2为层压板制备过程示意图；

图3为表面改性碳纤维/酚醛树脂复合材料的界面结构示意图；

图4为电化学沉积处理碳纤维的红外光谱图；

图5为电化学处理碳纤维的拉曼光谱图；

图6为电化学处理碳纤维的XPS图谱；

图7为复合材料样条不同位点的电阻分布图和测量示意图；

图8为碳纳米管和石墨烯电化学沉积在碳纤维表面的(扫描电镜)SEM图；

图9是复合材料的拉伸强度、拉伸模量和电阻率关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。以下的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

本发明实施例中碳纤维机织物的牌号为CF3031；石墨烯和碳纳米管均采购自百灵威科技有限公司；石墨烯(厚度:0.55-3.74nm,直径:0.5-3μm)；碳纳米管(直径×长度＝6-13nm×2.5-20μm)。

实施例1

(S1)将10*10cm

(S2)反应容器中加入苯酚，升温至85℃，加入氢氧化钡，保温15min后，开始缓慢滴加甲醛，苯酚和甲醛的物质的量之比为1.2：1，氢氧化钡加入量是苯酚质量的0.4％，甲醛在0.5h内滴加完毕，滴毕后，保温反应2h，带混合溶液变浑浊后，加入磷酸调节pH中性，真空脱水和游离态小分子，得到RTM型酚醛树脂；将碳纳米管和石墨烯按照质量比1：1混合得到纳米导电碳材料II，将所得纳米导电碳材料II和所得RTM型酚醛树脂混合均匀，使酚醛树脂中纳米导电碳材料II的质量浓度为0.5wt％，得到含有纳米导电碳材料的酚醛树脂；

(S3)将步骤(S2)制得的含有纳米导电碳材料的酚醛树脂均匀涂抹在步骤(S1)制得的表面修饰的碳纤维布上，重复步骤得到五层纤维布，碳纤维布和含有纳米导电碳材料的酚醛树脂的质量比为1：1，将五层碳纤维布上下叠加，在平板硫化仪中设置温度梯度，90℃保温1小时，130℃保温1小时，170℃保温1小时。待热压结束后，制备得到基于导电网络的碳纤维/酚醛树脂增强复合材料。

SEM测试仪器为JEOL扫描电子显微镜(10KV)。在制样时，从碳纤维布上剪取约1×1cm大小的试样。采用Thermo Nicolet公司生产的Nicolet 6700傅里叶红外光谱仪进行红外光谱测定，样品采用ATR(衰减全反射)附件测试，测试条件：扫描次数64次，扫描速度10KHz。图4为实施例1中步骤(S1)电化学沉积处理碳纤维的红外光谱图；可以看出，并对比未处理碳纤维的红外谱图。可以发现电化学沉积处理后，在3432cm

使用美国Thermo-Fisher公司的DXR型拉曼光谱仪进行测试。在记录下最大的焦距值后，手动调整焦距，直到动态谱图中在1600cm-1附件出现较明显的，且能够长时间稳定存在的两个特征峰。图5为实施例1中步骤(S1)电化学处理碳纤维布的拉曼光谱图；其具有1400～1500cm

图6为实施例1中步骤(S1)电化学处理碳纤维布的XPS图谱；显示经过电化学沉积表面后处理的碳纤维布的C-C含量降低；O-C＝O和C-O基团的含量明显增加。仪器厂家为ThermoFisher，型号为Thermo Scientific K-Alpha+。其中图6(a)为未处理碳纤维的C1s分峰拟合后XPS光谱图；图图6(b)为电化学沉积处理后碳纤维的C1s分峰拟合后XPS光谱图。可以看出，与未处理的纤维相比,经过电化学沉积处理的碳纤维表面的C-C含量降低；O-C＝O和C-O基团的含量明显增加。表明经过电化学沉积处理，还会在碳纤维的表面引入极性基团，这有利于提高纤维表面的化学活性，从而提高复合材料界面结合。

通过测试发现处理前碳纤维单丝拉伸强度为3.61GPa，电化学沉积后增加到3.75GPa，相比于单一使用碳纳米管或者单一使用石墨烯进行电化学沉积，采用碳纳米管和石墨烯的复配，对碳纤维单丝拉伸强度提升更多。推测原因是石墨烯和碳纳米管在纤维表面形成的三维网络把纤维包覆起来，起到了分散载荷、增强纤维束强度的作用，同时这些纳米粒子将碳纤维表面的凹槽和缝隙等缺陷填补上，所以使得总体的拉伸强度得到了一定提高。经过测试发现碳纤维在处理前与酚醛树脂间的界面剪切强度仅有63.2MPa，这是因为未处理前碳纤维表面较为光滑，官能团和颗粒较少，与树脂的结合力不足；经过实施例1电化学沉积处理后，界面强度提高到了79.2MPa，这说明，经过电化学处理在纤维表面后引入纳米粒子后，碳纤维与树脂间的界面结合力提升较大。未处理碳纤维与基体层间剪切强度仅为76.2MPa，而在实施例1的电化学处理后，层间剪切强度增加到94.3MPa，提升了23.8％。

图7是对实施例1复合材料样条不同位点的电阻分布图和测量示意图。图7(a)是电阻分布图，从图中可以看出，侧面和两端阻值的范围在20-40Ω，这是由于复合材料的电性能主要取决于导电神经网络，即碳纳米管/石墨烯修饰的碳纤维。因为酚醛树脂本身是绝缘体，所以树脂含量较高的区域以及碳纤维非接触区，比如样条的正反面，都会使得导电通路阻断。从微观上来看，载流子只能在复合材料内部局域移动。图7(b)是测量示意图，在测试过程中，将一支表笔固定在样条的一端，另一支表笔分别连接到样条两侧(两侧各分布五个等间距位点)、样条上表面(上表面分布等间距四个位点)及后端面(一个位点)，测量电阻值。经过测试实施例1中未经过电化学处理和经过电化学处理的碳纤维所合成的复合材料进行电阻率测试，未经电化学沉积的碳纤维布电阻率为0.83/Ω·cm，经过电化学处理(6V，15min)处理后的碳纤维布电阻率为0.16Ω·cm。说明经过电化学沉积后，碳纳米管和石墨烯共同在碳纤维表面构筑了三维的导电网络，降低了碳纤维布的电阻率。

实施例2

其他条件和实施例1相同，区别在于步骤(S1)中，电化学沉积时长为10min。

实施例3

其他条件和实施例1相同，区别在于步骤(S1)中，电化学沉积时长为5min。

实施例4

其他条件和实施例1相同，区别在于步骤(S1)中，分散液I中纳米导电碳材料I质量浓度为3wt％。

实施例5

其他条件和实施例1相同，区别在于步骤(S1)中，纳米导电碳材料I为碳纳米管和石墨烯按照质量比3：1的混合。

实施例6

其他条件和实施例1相同，区别在于步骤(S1)中，纳米导电碳材料I为碳纳米管和石墨烯按照质量比1：1的混合。

图8是实施例步骤(S1)碳纳米管和石墨烯电化学沉积在碳纤维表面的SEM图，图8(a)为去除上浆剂的碳纤维，可以观察到碳纤维表面有许多纵向的小沟壑；图8(b)为碳纳米管:石墨烯质量比为3:1时电化学沉积碳纳米管和石墨烯后的碳纤维(实施例5)；图8(c)为碳纳米管:石墨烯质量比为2:1时电化学沉积碳纳米管和石墨烯后的碳纤维(实施例1)；图8(d)为碳纳米管:石墨烯质量比为1:1时电化学沉积碳纳米管和石墨烯后的碳纤维(实施例6)。都可以观察到石墨烯和碳纳米管在碳纤维表面有效沉积，石墨烯片填补了碳纤维表面的凹陷，而部分碳纳米管则在凹陷两边形成桥接，这将有助于导电通路的形成及电导率的提高。同时，翘曲的石墨烯片和碳纳米管也极大提升了碳纤维的表面粗糙度，有利于界面强度的提升。但是，当碳纳米管:石墨烯的比例为1:1时，增加了纳米材料的聚集程度，很难在碳纤维表面得到较为均匀完整的导电网络。因此，最佳碳纳米管:石墨烯的比例为2-3:1。

实施例7

其他条件和实施例1相同，区别在于步骤(S1)中，纳米导电碳材料I为碳纳米管和石墨烯按照质量比5：1的混合。

实施例8

其他条件和实施例1相同，区别在于步骤(S2)中，酚醛树脂中纳米导电碳材料II的质量浓度为0.1wt％。

实施例9

其他条件和实施例1相同，区别在于步骤(S2)中，纳米导电碳材料II为碳纳米管和石墨烯按照质量比1.5：1的混合。

对比例1

其他条件和实施例1相同，区别在于步骤(S1)中，纳米导电碳材料I为碳纳米管。

对比例2

其他条件和实施例1相同，区别在于步骤(S1)中，纳米导电碳材料I为石墨烯。

对比例3

其他条件和实施例1相同，区别在于步骤(S2)中，制备得到RTM型酚醛树脂后，不加入纳米导电碳材料II。直接将RTM酚醛树脂用于步骤(S3)中碳纤维布的涂覆。

对比例4

其他条件和实施例1相同，区别在于取消步骤(S1)，步骤(S3)中直接使用未经表面电化学沉积修饰的碳纤维布。

应用例1：

对上述实施例和对比例得到的碳纤维/酚醛树脂增强复合材料进行以下性能测试，结果如下表1所示：

单丝拉伸强度

界面剪切强度

式中，F

层间剪切强度

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其中，P

电阻率

式中，ρ为电阻率，单位Ω·cm；S为样条横截面积；L为样条长度。

表1复合材料性能测试结果

应用例2

本发明还对实施例1所得碳纤维/酚醛树脂复合材料的力-电耦合性能进行了测试。

力-电耦合性能

含有0.3wt％纳米粒子的复合材料能够承受最长时间的拉伸，这与其具有最多的纳米粒子含量有关，纳米粒子作为增强材料在碳纤维复合材料中提供了高模量和高强度，在拉伸过程中，含有更多纳米粒子含量的碳纤维复合材料具有更大的伸展空间。

同时，我们测定了拉伸前后不同位点的电阻变化率。在拉伸过程中，复合材料经历了弹性变形，电阻变化率接近线性增加的状态，随着拉伸的进行，碳纤维复合材料中弯曲的纤维结构逐渐被拉直，纤维束之间的接触被破坏，这导致电阻变化率非线性增加。纳米粒子含量越多，复合材料的机械强度越大，电阻-应变的响应越弱，所以电阻变化率呈现较低的状态。

图9是复合材料的拉伸强度、拉伸模量和电阻率关系图，探究其力电耦合性能。可以看出复合材料的拉伸强度和拉伸模量与CNT含量基本呈现正相关。这可能是由于CNT本身具有的高模量和高强度赋予碳纤维复合材料优异的拉伸模量和拉伸强度。并且在拉伸过程中，复合材料并未出现一定程度的韧性破坏，从而保证了拉伸模量和强度的整体上升。含有0.3％ CNT的复合材料能够承受最长时间的拉伸，CNT作为增强材料在碳纤维复合材料中提供了高模量和高强度，在拉伸过程中，含有更多CNT含量的碳纤维复合材料具有更大的伸展空间。

表2复合材料的不同位点电阻率测试结果

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