氧化石墨烯改性碳纤维/环氧树脂复合材料

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碳纤维(CF)增强树脂基复合材料具有质轻、比强度高、比模量高等优点,在航空航天、高端体育器材等领域应用越来越广泛,但随着不同应用场合对材料性能要求的不断提升,对碳纤维增强树脂基复合材料的改性工作也从未停止。氧化石墨烯(GO)是石墨烯的氧化物,不仅具有优异的力学、热学等性质,同时其结构中还具有羟基、羧基、羰基、环氧基等含氧活性基团,与有机的树脂基体具有很好的相容性,在树脂基复合材料的改性中具有很好的发展潜力。本文利用GO对碳纤维/环氧树脂(CF/EP)基复合材料进行了改性,(1)制备了 GO/CF/EP混杂复合材料,(2)以及利用GO与碳纳米管(CNT)制备了复合薄膜,进而利用层间增韧改性方法制备了 GO/CNT/CF/EP层间改性复合材料,(3)并利用GO与CF、EP之间的良好相容性,对高性能T800型、M40J型碳纤维增强环氧树脂基复合材料的改性进行了初探。采用湿法预浸技术和模压工艺,制备了氧化石墨烯改性CCF300碳纤维/环氧树脂(CF/E54-DDS)混杂复合材料,利用热分析、红外分析、微观形貌研究了 GO对复合材料的改性机理,并采用冲击后压缩强度(CAI)测试,结合超声波C扫描和损伤/破坏特征研究了 GO对CCF300碳纤维/环氧树脂复合材料抗冲击性能的影响。结果表明,含量较低的GO有利于提高树脂体系的交联密度,使得复合材料的玻璃化转变温度(Tg)提高;但含量较高的GO使得固化网络结构中固化剂DDS的占比下降较大,反而不利于复合材料的耐热性。添加0.2 wt%的 GO 可使 CF/E54-DDS 的 Tg 由 196.3℃提高到 201.5℃。GO/E54-DDS 的最大热分解温度和残炭率,都在GO含量较低时有所提高,随GO含量的增大而下降。对GO/CF/E54-DDS混杂复合材料的CAI测试和超声波C扫描表明,添加GO在一定程度上可以抑制分层破坏,减小CF/EP复合材料的凹坑深度和损伤面积。纯CF/EP的CAI从168 MPa提高到0.2 wt%GO/CF/EP的180 MPa。结合微观形貌发现,GO使CF/EP的破坏界面发生了明显的改变。采用层间增韧的方法,利用氧化石墨烯/碳纳米管(GO/CNT)复合薄膜层间改性CF/EP复合材料,通过I型层间断裂韧性(GIc)、II型层间断裂韧性(GⅡc)测试,并结合微观形貌和损伤/破坏特征分析研究了 GO/CNT复合薄膜对复合材料的层间增韧机理。结果表明,采用管径为30-50 nm,带羟基的碳纳米管和30 wt%含量的氧化石墨烯制备的GO/CNT复合薄膜具有较好的成膜工艺性和浸润性;GO/CNT复合薄膜对CF/EP复合材料的张开型I型层间断裂韧性GIc没有明显增强效果,对滑移型II型层间断裂韧性Gnc具有较好的改善作用,GIIc从CF/E54-DDS 的 1855 J/m2 提高到 GO/CNT/CF/E54-DDS 的 2720 J/m2,提高了约47%。GO/CNT膜和树脂在层间形成的相互穿插的结构抑制了层间微裂纹的扩展。选取了日本东丽中模型碳纤维T700、国产高强中模型碳纤维CCF800、国产高强高模型碳纤维CCM40J三种碳纤维,利用GO对这三种碳纤维的环氧树脂基复合材料进行了改性初探,主要结合微观形貌和动态热机械分析对比研究了 GO对这三种碳纤维/环氧树脂复合材料的改性效果。结果表明,GO的加入使这三种GO/CF/EP复合材料的界面性质和CF/EP的相比发生了明显的改变,CF/EP复合材料的破坏主要发生在碳纤维的表面,而GO/CF/EP复合材料的破坏主要发生在复合材料的层间GO/EP区域。添加0.2 wt%GO使东丽T700、国产CCF800、国产CCM40J这三种碳纤维环氧树脂基复合材料的Tg分别有了不同程度的提高,其中,对高模型国产CCM40J的提升作用最为明显。
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