石墨烯表面改性碳纖維及其樹脂基復(fù)合材料界面剪切性能研究.pdf

1、目前，碳纖維樹脂基復(fù)合材料由于其高強(qiáng)度、高硬度、高韌性而受到廣泛關(guān)注。它的綜合性能主要由碳纖維、樹脂和二者的界面粘接狀態(tài)三要素決定。其中作為樹脂基體與碳纖維之間應(yīng)力傳遞的紐帶,界面粘接狀態(tài)從根本上決定復(fù)合材料的受力行為,良好的界面相互作用才能有效的分散、傳遞復(fù)合材料所承受的載荷,使得碳纖維的增強(qiáng)作用得以充分發(fā)揮。然而，碳纖維本質(zhì)上是一種微晶石墨材料，表面光滑，具有與碳類似的強(qiáng)化學(xué)惰性，與基體樹脂浸潤(rùn)性差，形成界面作用力弱,嚴(yán)重影響了碳纖

2、維樹脂基復(fù)合材料整體優(yōu)異性能的實(shí)現(xiàn)。因此，如何對(duì)碳纖維表面進(jìn)行處理，改善碳纖維的表面浸潤(rùn)性，是樹脂基碳纖維復(fù)合材料研究中的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。目前備受關(guān)注的石墨烯，具有一系列優(yōu)異性能，如：巨大的比表面積和優(yōu)異的力學(xué)性能等，這些特性使得其可以提高纖維與樹脂基體的接觸面積并能有效地傳遞載荷。
　　本論文首先利用化學(xué)氣相沉積法在在硅片及碳纖維表面上生長(zhǎng)出垂直于纖維表面三維堆疊的多層石墨烯片（也稱為石墨烯墻）。并研究了石墨烯墻的性質(zhì)，石墨烯墻之間

3、并非孤立存在，在石墨烯墻的底部有一層無(wú)定形碳薄膜連接。它的存在能改變基底的潤(rùn)濕性，并最終呈現(xiàn)出親油憎水性，同時(shí)其具有極好的吸光性能。生長(zhǎng)出的石墨烯墻不僅具有穩(wěn)定堅(jiān)固的多孔結(jié)構(gòu)，大的比表面積，極好的物理化學(xué)穩(wěn)定性和高的導(dǎo)電率等，還具有開放的邊界結(jié)構(gòu)，較高的邊緣密度和氧化程度，這些特性使石墨烯墻能充分浸潤(rùn)樹脂基體，形成堅(jiān)固的“榫卯結(jié)構(gòu)”，增大界面間相互作用。另一方面，石墨烯墻與碳纖維表面可以形成強(qiáng)有力的π-π共軛結(jié)構(gòu)，能夠有效地傳遞界面作用

4、力。
　　然后研究了環(huán)氧樹脂的固化條件，確定固化工藝為60℃/1h+88℃/1h+115℃/1h。接著成功將環(huán)氧樹脂與長(zhǎng)有石墨烯墻的碳纖維復(fù)合。根據(jù)理論分析及實(shí)驗(yàn)室自身?xiàng)l件，選用單纖維斷裂法來(lái)研究石墨烯墻對(duì)碳纖維/環(huán)氧樹脂的界面剪切性能（IFSS）的影響。從掃描電鏡測(cè)試中發(fā)現(xiàn)：復(fù)合材料界面破壞時(shí)表現(xiàn)為石墨烯墻與環(huán)氧樹脂界面失效，從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了石墨烯墻與碳纖維間優(yōu)異的界面結(jié)合力。最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得：石墨烯墻的引入使得界面性能提高173