连续碳纤维)增强环氧树脂复合材料力学及吸波性能研究

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石墨烯(碳纳米管—连续碳纤维)增强环氧树脂复合材料力学及吸波性能研究

字体大小： | | 2016-02-21 16:34

 【摘要】：由于石墨烯独特的电学、光学、力学及热学性能,基于石墨烯的功能型与结构型纳米复合材料成为了石墨烯诸多应用研究中的重要组成部分。通过对石墨烯进行改性处理,不仅可以提高其在环氧树脂基体中的分散性,同时也有助于石墨烯与环氧树脂基体间建立更紧密的联结。通过多维杂化的方法,在石墨烯基复合材料中加入一维碳纳米管,利用两种不同维度纳米填料间的协同效应及复合效应,能够有效改善碳纤维增强环氧树脂单向复合材料的综合性能。此外,利用石墨烯的高介电损耗与羰基铁粉的高磁导率,将二者加入到环氧树脂基体中,有望使材料在获得高损耗特性的同时满足阻抗匹配设计,得到吸波性能更优异的复合材料,满足理想吸波材料所要求的宽频、强吸收、薄、轻、低密度、热稳定性好等特点。1.采用化学氧化-热膨胀还原-超声剥离的方法制备了石墨烯纳米片,通过调节超声剥离时间,制备了三种不同剥离程度的石墨烯。研究了超声剥离时间对石墨烯的最终结构形貌与力学性能的影响。结果发现,超声15h以后的石墨烯片层之间连结变弱,得到剥离程度更高且分散性更佳的石墨烯纳米片(GNS)。2.为了提高石墨烯的在环氧树脂中的反应活性,通过氨水与双氧水的共同作用,氨水能够与石墨烯边缘的羧基官能团发生亲核取代反应生成-NH2基,对改性后的石墨烯(AMGNS)进行了结构形貌表征并研究了其含量对环氧树脂力学性能、导热性能以及吸波性能的影响。结果表明,当AMGNS含量为0.1 wt%时,AMGNS/EP纳米复合材料弯曲强度与冲击强度分别达到最大值135.58 MPa与21.02 KJ·m-2,相比EP分别提高了94.4%与34.3%。当AMGNS含量为0.5 wt%时,AMGNS/EP纳米复合材料的拉伸强度以及玻璃化转变温度分别达到最大值67.28 MPa与141.4℃,相比纯环氧树脂分别提高了27.8%与5.74%。当AMGNS含量为1.0 wt%时,AMGNS/EP纳米复合材料的热导率达到最大值0.289 W·m-·K-1,相比EP提高了约21.9%。当AMGNS含量为3.0 wt%时,AMGNS/EP纳米复合材料的最大吸收峰值可以达到-36.05 dB,对应厚度为2.4 mm,其中-10 dB的吸收频宽为10.83-18.00 GHz。3.制备并研究了氨改性石墨烯对连续碳纤维/环氧树脂单向复合材料(AMGNS-CF/EP)的力学性能与界面行为的影响。结果表明,当AMGNS含量为0.3 wt%时,AMGNS-CF/EP单向复合材料的弯曲强度与弯曲模量分别达到最大值1490.9 MPa与135.86 GPa,相比碳纤维增强环氧树脂单向复合材料(CFEP)分别提高了10.4%与7.04%。当AMGNS含量为0.5wt%时,AMGNS-CF/EP单向复合材料的层间剪切强度与玻璃化转变温度分别达到最大值86.80 MPa与129.53℃,相比CFEP单向复合材料分别提高了8.76%与9.62%。4.为了进一步降低石墨烯在环氧树脂基体中的团聚并提高复合材料的综合性能,通过加入一维的碳纳米管,利用协同作用与复合效应制备了氨改性石墨烯-碳纳米管／环氧树脂(AMGNS-MWCNT/EP)纳米复合材料。结果表明,当AMGNS与MWCNT在环氧树脂中各占1.0 wt%时,AMGNS-MWCNT/EP纳米复合材料的拉伸强度与弯曲强度分别达到最大值63.53 MPa与108.47 MPa,相比纯环氧树脂分别提高了20.7%与55.5%。进一步研究发现,二元填料AMGNS-MWCNT能够大幅度提高碳纤维增强环氧树脂复合材料的弯曲性能与界面性能。当AMGNS与MWCNT在环氧树脂中各占0.5 wt%时,AMGNS-MWCNT/CFEP单向复合材料弯曲强度、弯曲模量与层间剪切强度分别达到最大值1520.3 MPa、138.88 GPa与87.80 MPa,相比CFEP单向复合材料分别提高了12.5%、9.42%与10.1%。5.采用溶液共混法制备了石墨烯/羰基铁粉(CIP)复合吸波材料(AMGNS-CIP/paraffin),以石蜡(paraffin)为基体,研究了氨改性石墨烯对羰基铁粉的电磁参数的影响。结果表明,当AMGNS含量为1.0 wt%时,AMGNS-CIP/paraffin纳米复合材料的最大吸收峰值为-21.7 dB,其对应厚度为4.0 mm,其中-10 dB的吸收频宽为2.43-4.00 GHz。进一步考察了氨改性石墨烯/羰基铁粉复合吸波材料在环氧树脂基体(AMGNS-CIP/EP)中的吸波性能。结果表明,将导电损耗型吸波材料石墨烯与磁损耗型吸波材料羰基铁粉制成的复合吸波材料在环氧树脂里具有更优秀的吸波性能。当AMGNS含量为3.0 wt%时,AMGNS-CIP/EP纳米复合材料的最大吸收峰值为-36.82 dB,其对应厚度为1.9 mm,其中-10dB的吸收频宽为11.35-17.83 GHz。

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