石墨烯/环氧树脂复合材料的导电、导热及力学性能研究
发布时间：2022-02-21 14:58
石墨烯作为一种新型的二维碳材料,自2004年被发现以来已经广泛应用在提高聚合物的导热、导电和力学性能。本文以氧化石墨烯为制备石墨烯的前躯体,辅以其它功能填料,制备了多种环氧树脂基复合材料,明显提高了环氧树脂的导电、导热性能和力学性能。首先制备了对位芳纶（PPTA）浆粕纤维增强的石墨烯气凝胶,采用真空灌注工艺与环氧树脂复合,制备了高导电性和高压缩强度的复合材料。其次,将球形氧化铝与石墨烯微片复配作为协同导热组分,以氢氧化镁作为协同导热和阻燃填料,制备了具有优良阻燃性能的高导热环氧树脂复合材料。最后,为改善环氧树脂复合材料的韧性,以高强度对位芳纶纤维（PPTA）为增韧组分,在PPTA纤维表面负载石墨烯,制备了具有高冲击强度和导电性能的环氧树脂复合材料。取得的主要创新性结果如下:（1）以氧化石墨烯和对位芳纶浆粕纤维为原料,通过化学还原氧化石墨烯制备了纤维增强的三维石墨烯气凝胶（GOFA）;高温热处理GOFA制备了碳纤维增强的石墨烯气凝胶（GCFA）。PPTA浆粕纤维促进了石墨烯气凝胶的形成,GOFA复合气凝胶的压缩强度提高了5倍,高温碳化后的复合气凝胶的电导率随纤维含量增加而快速提高,高达1...
【文章来源】：北京化工大学北京市211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
学位论文数据集
摘要
Abstract
符号说明
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 石墨烯、石墨烯/聚合物复合材料
1.2.1 石墨烯材料
1.2.2 石墨烯的制备
1.2.3 石墨烯聚合物复合材料的研究
1.2.4 石墨烯环氧树脂复合材料
1.3 石墨烯立体结构及其聚合物复合材料
1.3.1 一维石墨烯纤维及复合纤维
1.3.2 二维宏观石墨烯薄膜和纸张
1.3.2.1 纯石墨烯膜和纸张
1.3.2.2 聚合物/石墨烯复合膜和纸张
1.3.3 3D石墨烯集合体结构
1.3.3.1 石墨烯3D结构的合成
1.3.3.2 复合石墨烯的水凝胶和气凝胶
1.3.3.3 3D结构石墨烯/聚合物复合材料
1.4 石墨烯及协同增效导热阻燃性能
1.4.1 聚合物导热性的限制
1.4.2 热导率与温度和结晶度的关系
1.4.3 二组分复合材料的导热模型
1.4.4 填料型聚合物复合材料的传热
1.4.4.1 石墨烯及协同导热阻燃填料
1.4.4.2 填料型复合材料热导率的影响因素
1.4.5 导热阻燃型复合材料
1.5 石墨烯及协同填料对环氧树脂聚合物的力学增强
1.5.1 纤维对环氧树脂聚合物的增韧改性
1.5.2 石墨烯杂化填料对环氧树脂复合材料的增韧作用
1.6 论文研究目的、意义、创新点及研究内容
1.6.1 本论文的研究目的和意义
1.6.2 本论文的创新点
1.6.3 本论文的主要研究内容:
第二章 纤维/石墨烯复合气凝胶/环氧树脂复合材料的制备及性能表征
2.1 引言
2.2 实验部分
2.2.1 原料、设备及仪器
2.2.2 试验部分
2.2.2.1 氧化石墨烯的制备
2.2.2.2 GOFA及GCFA气凝胶的制备
2.2.2.3 GOFA/环氧树脂及GCFA/环氧树脂复合材料的制备
2.2.3 性能测试表征
2.3 结果与讨论
2.3.1 GOFA及GCFA复合气凝胶形成机理
2.3.2 GOFA及GCFA复合气凝胶的结构形貌分析
2.3.3 GOFA及GCFA复合气凝胶红外光谱及Raman光谱分析
2.3.4 GOFA及GCFA复合气凝胶X衍射图谱分析
2.3.5 GOFA及GCFA复合气凝胶XPS图谱分析
2.3.6 GOFA及GCFA复合气凝胶的密度及压缩模量
2.3.7 GOFA及GCFA复合气凝胶的力学性能
2.3.8 GOFA及GCFA复合气凝胶的电学性能
2.3.9 GOFA/环氧树脂及GCFA/环氧树脂复合材料的导电性能研究
2.3.10 GOFA/环氧树脂及GCFA/环氧树脂复合材料的导热性能研究
2.3.11 GOFA/环氧树脂及GCFA/环氧树脂复合材料的压缩性能
2.3.12 GOFA/环氧树脂及GCFA/环氧树脂复合材料的压缩断面破坏形貌观察
2.4 本章小结
第三章 氧化铝/石墨烯微片/环氧树脂复合材料导热阻燃性能研究
3.1 前言
3.2 实验部分
3.2.1 实验试剂与仪器
3.2.2 实验步骤
3.2.2.1 GNP的改性
3.2.2.2 AL_2O_3/环氧树脂复合材料的制备
3.2.2.3 不同形状和尺寸的氧化铝填料及用量对环氧树脂复合材料热导率的影响
3.2.2.4 无机阻燃剂MG(OH)_2对复合材料阻燃性能的影响
3.2.3 性能表征
3.2.3.1 导热性能测试
3.2.3.2 填料及复合材料断面形貌观察
3.2.3.3 粘度测试
3.2.3.4 接触角测试
3.2.3.5 垂直燃烧性能测试
3.2.3.6 锥形量热仪性能测试
3.2.3.7 极限氧指数性能测试
3.2.3.8 电阻率测试
3.3 结果与讨论
3.3.1 填料粒径及形状对环氧树脂复合材料导热性能的影响
3.3.2 协同导热填料种类及用量对复合材料的导热性能的影响
3.3.3 复合材料微观形貌分析
3.3.4 氧化铝填充量对环氧树脂复合材料粘度的影响
3.3.5 改性GNP与环氧预聚体界面润湿性能的研究
3.3.6 环氧树脂复合材料阻燃性能研究
3.4 本章小结
第四章 石墨烯/PPTA纤维/环氧树脂复合材料的增韧改性研究
4.1 前言
4.2 实验部分
4.2.1 原料、设备及仪器
4.2.2 实验部分
4.2.2.1 氧化石墨烯的制备
4.2.2.2 石墨烯/PPTA纤维的制备
4.2.2.3 PPTA纤维/环氧树脂及石墨烯/PPTA纤维/环氧树脂复合材料的制备
4.2.2.4 石墨烯/PPTA纤维/环氧树脂复合材料固化体系的动力学分析
4.2.3 性能测试表征
4.3 结果与讨论
4.3.1 PPTA纤维负载石墨烯形貌观察
4.3.2 PPTA纤维增韧环氧树脂固化工艺研究
4.3.2.1 固化反应的热行为
4.3.2.2 固化动力学参数
4.3.3 PPTA纤维负载石墨烯RAMAN光谱及XRD分析
4.3.4 环氧树脂复合材料力学性能的变化
4.3.5 复合材料热稳定性
4.3.6 复合材料电学性能
4.3.7 石墨烯/PPTA纤维/环氧树脂复合材料断面形貌观察及增韧机理分析
4.4 本章小结
第五章 结论
参考文献
致谢
研究成果及发表的学术论文
作者和导师介绍
附件
本文编号：3637493
【文章来源】：北京化工大学北京市211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
学位论文数据集
摘要
Abstract
符号说明
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 石墨烯、石墨烯/聚合物复合材料
1.2.1 石墨烯材料
1.2.2 石墨烯的制备
1.2.3 石墨烯聚合物复合材料的研究
1.2.4 石墨烯环氧树脂复合材料
1.3 石墨烯立体结构及其聚合物复合材料
1.3.1 一维石墨烯纤维及复合纤维
1.3.2 二维宏观石墨烯薄膜和纸张
1.3.2.1 纯石墨烯膜和纸张
1.3.2.2 聚合物/石墨烯复合膜和纸张
1.3.3 3D石墨烯集合体结构
1.3.3.1 石墨烯3D结构的合成
1.3.3.2 复合石墨烯的水凝胶和气凝胶
1.3.3.3 3D结构石墨烯/聚合物复合材料
1.4 石墨烯及协同增效导热阻燃性能
1.4.1 聚合物导热性的限制
1.4.2 热导率与温度和结晶度的关系
1.4.3 二组分复合材料的导热模型
1.4.4 填料型聚合物复合材料的传热
1.4.4.1 石墨烯及协同导热阻燃填料
1.4.4.2 填料型复合材料热导率的影响因素
1.4.5 导热阻燃型复合材料
1.5 石墨烯及协同填料对环氧树脂聚合物的力学增强
1.5.1 纤维对环氧树脂聚合物的增韧改性
1.5.2 石墨烯杂化填料对环氧树脂复合材料的增韧作用
1.6 论文研究目的、意义、创新点及研究内容
1.6.1 本论文的研究目的和意义
1.6.2 本论文的创新点
1.6.3 本论文的主要研究内容:
第二章 纤维/石墨烯复合气凝胶/环氧树脂复合材料的制备及性能表征
2.1 引言
2.2 实验部分
2.2.1 原料、设备及仪器
2.2.2 试验部分
2.2.2.1 氧化石墨烯的制备
2.2.2.2 GOFA及GCFA气凝胶的制备
2.2.2.3 GOFA/环氧树脂及GCFA/环氧树脂复合材料的制备
2.2.3 性能测试表征
2.3 结果与讨论
2.3.1 GOFA及GCFA复合气凝胶形成机理
2.3.2 GOFA及GCFA复合气凝胶的结构形貌分析
2.3.3 GOFA及GCFA复合气凝胶红外光谱及Raman光谱分析
2.3.4 GOFA及GCFA复合气凝胶X衍射图谱分析
2.3.5 GOFA及GCFA复合气凝胶XPS图谱分析
2.3.6 GOFA及GCFA复合气凝胶的密度及压缩模量
2.3.7 GOFA及GCFA复合气凝胶的力学性能
2.3.8 GOFA及GCFA复合气凝胶的电学性能
2.3.9 GOFA/环氧树脂及GCFA/环氧树脂复合材料的导电性能研究
2.3.10 GOFA/环氧树脂及GCFA/环氧树脂复合材料的导热性能研究
2.3.11 GOFA/环氧树脂及GCFA/环氧树脂复合材料的压缩性能
2.3.12 GOFA/环氧树脂及GCFA/环氧树脂复合材料的压缩断面破坏形貌观察
2.4 本章小结
第三章 氧化铝/石墨烯微片/环氧树脂复合材料导热阻燃性能研究
3.1 前言
3.2 实验部分
3.2.1 实验试剂与仪器
3.2.2 实验步骤
3.2.2.1 GNP的改性
3.2.2.2 AL_2O_3/环氧树脂复合材料的制备
3.2.2.3 不同形状和尺寸的氧化铝填料及用量对环氧树脂复合材料热导率的影响
3.2.2.4 无机阻燃剂MG(OH)_2对复合材料阻燃性能的影响
3.2.3 性能表征
3.2.3.1 导热性能测试
3.2.3.2 填料及复合材料断面形貌观察
3.2.3.3 粘度测试
3.2.3.4 接触角测试
3.2.3.5 垂直燃烧性能测试
3.2.3.6 锥形量热仪性能测试
3.2.3.7 极限氧指数性能测试
3.2.3.8 电阻率测试
3.3 结果与讨论
3.3.1 填料粒径及形状对环氧树脂复合材料导热性能的影响
3.3.2 协同导热填料种类及用量对复合材料的导热性能的影响
3.3.3 复合材料微观形貌分析
3.3.4 氧化铝填充量对环氧树脂复合材料粘度的影响
3.3.5 改性GNP与环氧预聚体界面润湿性能的研究
3.3.6 环氧树脂复合材料阻燃性能研究
3.4 本章小结
第四章 石墨烯/PPTA纤维/环氧树脂复合材料的增韧改性研究
4.1 前言
4.2 实验部分
4.2.1 原料、设备及仪器
4.2.2 实验部分
4.2.2.1 氧化石墨烯的制备
4.2.2.2 石墨烯/PPTA纤维的制备
4.2.2.3 PPTA纤维/环氧树脂及石墨烯/PPTA纤维/环氧树脂复合材料的制备
4.2.2.4 石墨烯/PPTA纤维/环氧树脂复合材料固化体系的动力学分析
4.2.3 性能测试表征
4.3 结果与讨论
4.3.1 PPTA纤维负载石墨烯形貌观察
4.3.2 PPTA纤维增韧环氧树脂固化工艺研究
4.3.2.1 固化反应的热行为
4.3.2.2 固化动力学参数
4.3.3 PPTA纤维负载石墨烯RAMAN光谱及XRD分析
4.3.4 环氧树脂复合材料力学性能的变化
4.3.5 复合材料热稳定性
4.3.6 复合材料电学性能
4.3.7 石墨烯/PPTA纤维/环氧树脂复合材料断面形貌观察及增韧机理分析
4.4 本章小结
第五章 结论
参考文献
致谢
研究成果及发表的学术论文
作者和导师介绍
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本文编号：3637493
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