石墨烯/炭纤维/聚醚醚酮复合材料的制备及性能
发布时间：2020-12-22 22:38
使用层间喷涂法制备了石墨烯/炭纤维/聚醚醚酮(GR/CF/PEEK)复合材料,对材料微观形态、力学性能、热学以及电学性能进行了分析。结果表明,0.1 wt%的石墨烯的加入即可使复合材料的层间剪切强度(ILSS)从57.3 MPa增加到77.6 MPa,弯曲强度和弯曲模量分别从1 226.2 MPa、64.5 GPa增加到1 512.3 MPa、73.6 GPa。差示扫描量热结果证明少量石墨烯的加入能够提高复合材料基体的结晶度。同时复合材料的热导率和电导率也随着石墨烯含量的增加而增加,加入0.5 w t%的石墨烯,复合材料的热导率和电导率与未加入石墨烯相比分别增加了15.5%和73.1%。GR/CF/PEEK复合材料与CF/PEEK相比具有更优良的综合性能。
【文章来源】：新型炭材料. 2017年02期 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
Ｒ/CF/PEEK复合材料的制备过程
橹懈春喜牧虾穸确较虻娜壤┥⒙?α)通过激光闪光热分析仪(LFA447/2-2lnsbNanoFlash)来进行测量。比热(Cp)通过200F3差示扫描量热仪(DSC)测量。密度(ρ)通过(5)式进行计算:ρ=mV(5)其中，m和V分别为样品的质量和体积。热导率(κ)通过(6)式进行计算:κ=αCpρ(6)2．2．5电学性能测试试样的电阻通过直流电阻测试仪(GF2516A)测量，电导率(σ)通过(7)式进行计算:σ=1Ｒ×LS(7)其中，Ｒ为试样的电阻，L为电阻方向的长度，S为垂直于长度方向的横截面积。3结果与讨论3．1预浸片形貌分析图2(a、b)为未喷涂石墨烯的CF/PEEK预浸片的电镜照片，可以看出，未喷涂石墨烯时纤维表面很光滑，纤维之间充斥着聚醚醚酮树脂。图2(c，d)、(e，f)、(g，h)分别为喷涂0．1wt%、0．3wt%、0．5wt%石墨烯分散液的预浸片的低倍和高倍放大照片。从低倍图中可以看出不仅纤维表面附着有石墨烯，树脂上也同时附着有石墨烯(图中圆圈部分所示)。图2预浸片的扫描电镜照片:(a，b)CF/PEEK;(c，d)GＲ(0．1wt%)/CF/PEEK;(e，f)GＲ(0．3wt%)/CF/PEEK;(g，h)GＲ(0．5wt%)/CF/PEEKFig．2SEMimagesofprepregs:(a，b)CF/PEEK;(c，d)GＲ(0．1wt%)/CF/PEEK;(e，f)GＲ(0．3wt%)/CF/PEEK;(g，h)GＲ(0．5wt%)/CF/PEEK．3．2层间剪切强度图3为不同石墨烯含量的GＲ/CF/PEEK复合材料的层间剪切强度。纯CF/PEEK的层间剪切强度为57．3MPa;加入0．1wt%、0．3wt%、0．5wt%·154·新型炭材料第32卷
砑邮??┑腃F/PEEK相比也有明显的增加。图4是对应的层间剪切破坏面的扫描电镜照片。从图4(a)，(b)中可以看出，未添加石墨烯时，层剪破坏后纤维表面残留的基体树脂较少，且有一部分纤维是裸露的，说明纤维和基体树脂的界面结合作用相对较弱，表现为混合破坏模式;从图(c)～(h)可以看出，添加石墨烯后，层剪破坏面中炭纤维表面被残留的基体树脂所覆盖，表现为内聚破坏模式［19，20］，说明石墨烯的加入确实能够提高纤维和树脂的界面结合强度，这有利于纤维-树脂间的应力传递，进而提高复合材料的层间剪切强度。图3不同石墨烯含量复合材料的层间剪切强度Fig．3ILSSofdifferenttypesofcomposites．图4复合材料层间剪切破坏面的扫描电镜照片:(a，b)CF/PEEK;(c，d)GＲ(0．1wt%)/CF/PEEK;(e，f)GＲ(0．3wt%)/CF/PEEK;(g，h)GＲ(0．5wt%)/CF/PEEKFig．4SEMimagesofILSSfracturedsurfacesofcomposites:(a，b)CF/PEEK;(c，d)GＲ(0．1wt%)/CF/PEEK;(e，f)GＲ(0．3wt%)/CF/PEEK;(g，h)GＲ(0．5wt%)/CF/PEEK．除了纤维和树脂的界面结合外，树脂基体的性质也会影响复合材料的强度［21］，而石墨烯的加入能够提高树脂的性能，使得树脂在破坏过程中产生较大的变形。图5、图6分别是层间剪切破坏后裂纹扩展区域的扫面电镜照片。从图5可以看出，对于未添加石墨烯的复合材料，破坏区域的纤维和树脂界面比较光滑(图5a，b)，这也证明纤维和树脂的结合强度相对较弱，同时树脂在破坏过程中产生的变形也较少(图5c，d);而对于添加了0．1wt%的复合材料，可以看出纤维-树脂界面在破坏发生后仍有部分连接(图6a，b)，同时树脂在裂纹扩展过程中发生了变形(图6c，d)，这个过程能消耗大量的能量，提高破坏发生所需要的载荷，因此有利于复合材料层间剪切
【参考文献】：
期刊论文
[1]二维碳质材料的制备和应用[J]. 汤艳萍,徐庆,唐睿智,张帆. 新型炭材料. 2016(03)
[2]石墨烯/酚醛树脂/炭纤维层次复合材料的制备及其性能[J]. 刘燕珍,李永锋,杨永岗,温月芳,王茂章. 新型炭材料. 2012(05)
[3]石墨烯/环氧树脂复合材料的制备与力学性能[J]. 谢卫刚,赵东林,景磊,张凡. 高分子材料科学与工程. 2012(09)
[4]复合材料断口形貌与性能[J]. 白淑贞. 航空学报. 1987(07)
本文编号：2932563
【文章来源】：新型炭材料. 2017年02期 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
Ｒ/CF/PEEK复合材料的制备过程
橹懈春喜牧虾穸确较虻娜壤┥⒙?α)通过激光闪光热分析仪(LFA447/2-2lnsbNanoFlash)来进行测量。比热(Cp)通过200F3差示扫描量热仪(DSC)测量。密度(ρ)通过(5)式进行计算:ρ=mV(5)其中，m和V分别为样品的质量和体积。热导率(κ)通过(6)式进行计算:κ=αCpρ(6)2．2．5电学性能测试试样的电阻通过直流电阻测试仪(GF2516A)测量，电导率(σ)通过(7)式进行计算:σ=1Ｒ×LS(7)其中，Ｒ为试样的电阻，L为电阻方向的长度，S为垂直于长度方向的横截面积。3结果与讨论3．1预浸片形貌分析图2(a、b)为未喷涂石墨烯的CF/PEEK预浸片的电镜照片，可以看出，未喷涂石墨烯时纤维表面很光滑，纤维之间充斥着聚醚醚酮树脂。图2(c，d)、(e，f)、(g，h)分别为喷涂0．1wt%、0．3wt%、0．5wt%石墨烯分散液的预浸片的低倍和高倍放大照片。从低倍图中可以看出不仅纤维表面附着有石墨烯，树脂上也同时附着有石墨烯(图中圆圈部分所示)。图2预浸片的扫描电镜照片:(a，b)CF/PEEK;(c，d)GＲ(0．1wt%)/CF/PEEK;(e，f)GＲ(0．3wt%)/CF/PEEK;(g，h)GＲ(0．5wt%)/CF/PEEKFig．2SEMimagesofprepregs:(a，b)CF/PEEK;(c，d)GＲ(0．1wt%)/CF/PEEK;(e，f)GＲ(0．3wt%)/CF/PEEK;(g，h)GＲ(0．5wt%)/CF/PEEK．3．2层间剪切强度图3为不同石墨烯含量的GＲ/CF/PEEK复合材料的层间剪切强度。纯CF/PEEK的层间剪切强度为57．3MPa;加入0．1wt%、0．3wt%、0．5wt%·154·新型炭材料第32卷
砑邮??┑腃F/PEEK相比也有明显的增加。图4是对应的层间剪切破坏面的扫描电镜照片。从图4(a)，(b)中可以看出，未添加石墨烯时，层剪破坏后纤维表面残留的基体树脂较少，且有一部分纤维是裸露的，说明纤维和基体树脂的界面结合作用相对较弱，表现为混合破坏模式;从图(c)～(h)可以看出，添加石墨烯后，层剪破坏面中炭纤维表面被残留的基体树脂所覆盖，表现为内聚破坏模式［19，20］，说明石墨烯的加入确实能够提高纤维和树脂的界面结合强度，这有利于纤维-树脂间的应力传递，进而提高复合材料的层间剪切强度。图3不同石墨烯含量复合材料的层间剪切强度Fig．3ILSSofdifferenttypesofcomposites．图4复合材料层间剪切破坏面的扫描电镜照片:(a，b)CF/PEEK;(c，d)GＲ(0．1wt%)/CF/PEEK;(e，f)GＲ(0．3wt%)/CF/PEEK;(g，h)GＲ(0．5wt%)/CF/PEEKFig．4SEMimagesofILSSfracturedsurfacesofcomposites:(a，b)CF/PEEK;(c，d)GＲ(0．1wt%)/CF/PEEK;(e，f)GＲ(0．3wt%)/CF/PEEK;(g，h)GＲ(0．5wt%)/CF/PEEK．除了纤维和树脂的界面结合外，树脂基体的性质也会影响复合材料的强度［21］，而石墨烯的加入能够提高树脂的性能，使得树脂在破坏过程中产生较大的变形。图5、图6分别是层间剪切破坏后裂纹扩展区域的扫面电镜照片。从图5可以看出，对于未添加石墨烯的复合材料，破坏区域的纤维和树脂界面比较光滑(图5a，b)，这也证明纤维和树脂的结合强度相对较弱，同时树脂在破坏过程中产生的变形也较少(图5c，d);而对于添加了0．1wt%的复合材料，可以看出纤维-树脂界面在破坏发生后仍有部分连接(图6a，b)，同时树脂在裂纹扩展过程中发生了变形(图6c，d)，这个过程能消耗大量的能量，提高破坏发生所需要的载荷，因此有利于复合材料层间剪切
【参考文献】：
期刊论文
[1]二维碳质材料的制备和应用[J]. 汤艳萍,徐庆,唐睿智,张帆. 新型炭材料. 2016(03)
[2]石墨烯/酚醛树脂/炭纤维层次复合材料的制备及其性能[J]. 刘燕珍,李永锋,杨永岗,温月芳,王茂章. 新型炭材料. 2012(05)
[3]石墨烯/环氧树脂复合材料的制备与力学性能[J]. 谢卫刚,赵东林,景磊,张凡. 高分子材料科学与工程. 2012(09)
[4]复合材料断口形貌与性能[J]. 白淑贞. 航空学报. 1987(07)
本文编号：2932563
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