石墨烯改性碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的性能試驗(yàn)

程振華

（西北大學(xué) 現(xiàn)代學(xué)院，陜西 西安 710130）

引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，復(fù)合材料的應(yīng)用得到了普及，特別是在體育器材方面。但受碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂材料特性的影響，兩者結(jié)合界面性能較差，進(jìn)而對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，限制了其在體育器材方面的應(yīng)用，因此，提升復(fù)合材料界面結(jié)合力，增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能是目前較為重要的研究。對(duì)此，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者也進(jìn)行了研究，如南欣欣[1]以鱗片石墨合成了氧化石墨烯，然后對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂改性。通過(guò)試驗(yàn)證明了氧化石墨烯能夠有效改善環(huán)氧樹(shù)脂的脆性，提升其力學(xué)性能。薛鑫[2]制備了一種新型體育設(shè)施用的碳纖維復(fù)合材料，并用氧化石墨烯對(duì)材料進(jìn)行改性。結(jié)果表明，氧化后的石墨烯對(duì)復(fù)合材料界面有改善作用，可提高復(fù)合材料的性能。以上研究表明了石墨烯對(duì)提升復(fù)合材料性能會(huì)產(chǎn)生積極的影響，但他們并未對(duì)石墨烯摻加量進(jìn)行研究。為尋找性能最佳的石墨烯-碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，本文以石墨烯摻加量為變量，研究了石墨烯摻加量對(duì)復(fù)合材料性能的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

本試驗(yàn)主要材料：碳纖維布（固特嘉建筑工程，I 級(jí)）、無(wú)水乙醇（汝新化工貿(mào)易，CP）、環(huán)氧樹(shù)脂（E44，勃慈商貿(mào)，標(biāo)準(zhǔn)品）、石墨烯片（度邦科技，粒徑1μm）、丙酮（旭晨化工科技，AR）。

本試驗(yàn)主要設(shè)備：超聲清洗機(jī)（巴克智能裝備，BK-300U）、球磨機(jī)（德科儀器設(shè)備，DECO-PBM-AD）、電熱鼓風(fēng)干燥機(jī)（大祥電子機(jī)械設(shè)備，101-0S）、纖維-樹(shù)脂基體界面強(qiáng)度測(cè)定儀（HM410，東榮株式會(huì)社）、掃描電子顯微鏡（津工儀器科技，EVO）、擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)（HY-5J，衡翼精密儀器）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 石墨烯-碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的制備

（1）在40mL 的無(wú)水乙醇中放入一定量石墨烯，置于BK-300U 型超聲清洗機(jī)內(nèi)超聲10min，然后放入DECO-PBM-AD 型球磨機(jī)內(nèi)研磨分散120min，得濃度為1mg/mL 的石墨烯懸濁液[3]。

（2）在1∶1 的無(wú)水乙醇和丙酮混合溶液中放入經(jīng)處理的碳纖維布浸泡1d，然后用電熱鼓風(fēng)干燥箱烘干。將烘干后的碳纖維布放入濃硝酸中，置于超聲清洗機(jī)內(nèi)超聲氧化120min。

（3）在烘干的碳纖維布上均勻噴灑提前制備好的石墨烯懸濁液，再次置于80℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干。

（4）按照環(huán)氧樹(shù)脂與碳纖維布2∶3 的比例稱取環(huán)氧樹(shù)脂，同時(shí)稱取1/5 樹(shù)脂體積的固化劑，混合后涂刷在石墨烯-碳纖維布表面，按照疊層鋪設(shè)，然后置于室溫靜置30min 后加壓固化6h，得石墨烯-碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。

以上制備流程可用圖1 示意[4～5]。

1.3 性能表征

1.3.1 界面剪切性能

用HM410 型纖維-樹(shù)脂基體界面強(qiáng)度測(cè)定儀測(cè)定復(fù)合材料的界面剪切性能，具體界面剪切強(qiáng)度計(jì)算表達(dá)式為[6～7]：

式（1）中，F(xiàn)—最大載荷,N；d—碳纖維直徑,nm；τ—界面剪切強(qiáng)度,MPa；l—樹(shù)脂微珠包埋碳纖維部分長(zhǎng)度,cm。

1.3.2 微觀形貌分析

用EVO 型掃描電鏡分析樣品的微觀形貌[8]。

1.3.3 力學(xué)性能測(cè)試

參照GB/T 1451-2005 標(biāo)準(zhǔn)，用HY-5J 型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)樣品的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試[9～10]。

1.3.4 熱膨脹性能

樣品的熱膨脹性能是指在同一溫度條件下，對(duì)樣品的相對(duì)變形量進(jìn)行測(cè)試，然后計(jì)算樣品熱膨脹系數(shù)，具體計(jì)算公式為：

式中，ΔT—溫度差值的絕對(duì)值；l0—樣品兩個(gè)面初始相對(duì)距離,cm；w—兩個(gè)面的相對(duì)位移,cm。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨烯-碳纖維布微觀形貌分析

圖2 為石墨烯處理前后碳纖維布微觀形貌。其中（a）為未經(jīng)處理的碳纖維布，（b）和（c）為石墨烯添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.2%和1%的石墨烯-碳纖維布。觀察圖2 可知，未經(jīng)處理的碳纖維表面較為光滑。在添加石墨烯后，石墨烯微片附著在碳纖維表面，使得纖維粗糙度增加，這對(duì)材料結(jié)合界面內(nèi)部三維立體結(jié)構(gòu)的形成有很大的促進(jìn)作用，界面機(jī)械咬合力增加，力學(xué)性能也隨之提高[11～12]。當(dāng)石墨烯添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至1%時(shí)，在碳纖維布表面觀察到團(tuán)聚的石墨烯。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是石墨烯過(guò)多，降低了材料間的界面結(jié)合力，進(jìn)而對(duì)材料的力學(xué)性能產(chǎn)生了不良影響[13～14]。綜上，適宜的石墨烯添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料性能的提升會(huì)產(chǎn)生積極的作用，但過(guò)量石墨烯會(huì)在纖維表面團(tuán)聚，因此改性碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料時(shí)，需要考慮石墨烯的添加量。

2.2 界面剪切強(qiáng)度分析

圖3 為石墨烯添加量與復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度間的關(guān)系。由圖3 可知，復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度隨石墨烯添加量的增加先上升后下降。該結(jié)果印證了2.1 的結(jié)論，即隨著添加的石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度增加，且當(dāng)石墨烯添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，界面剪切強(qiáng)度最高為67MPa。由此可見(jiàn)，在石墨烯-碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料中，石墨烯適宜添加量為0.2%。

2.3 復(fù)合材料力學(xué)性能分析

復(fù)合材料力學(xué)性能直接受界面剪切強(qiáng)度的影響。因此，改變石墨烯的添加量，觀察復(fù)合材料力學(xué)性能的變化，具體結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4 可知，隨石墨烯含量的增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能變化規(guī)律與界面剪切強(qiáng)度規(guī)律一致，即當(dāng)石墨烯添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%，彎曲強(qiáng)度和沖擊韌性達(dá)到最高為756MPa 和27kJ/m2。

2.4 熱膨脹性能分析

考慮到部分體育器材的使用環(huán)境是在戶外，因此對(duì)復(fù)合材料的熱膨脹性能有較高的要求。對(duì)摻入不同石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料進(jìn)行熱膨脹性能分析，得到結(jié)果見(jiàn)圖5。通過(guò)圖5 可知，隨著體系內(nèi)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的熱膨脹性能表現(xiàn)出“V”字變化，這是受環(huán)氧樹(shù)脂與碳纖維材料變化的影響。溫度變化時(shí)，材料結(jié)合的地方出現(xiàn)應(yīng)力，材料出現(xiàn)膨脹變形。添加石墨烯后，石墨烯增強(qiáng)了纖維與環(huán)氧樹(shù)脂的結(jié)合力，使其界面結(jié)合得更為緊密，在溫度的作用下不易產(chǎn)生變形，熱膨脹變小。而石墨烯摻量過(guò)多時(shí)，互相團(tuán)聚，對(duì)界面力反而產(chǎn)生不良影響，熱膨脹慢慢地增加。

2.5 復(fù)合材料斷面形貌分析

通過(guò)2.1～2.3 結(jié)果可知，石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料的影響較大。當(dāng)石墨烯添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，復(fù)合材料表現(xiàn)出較好的界面剪切性能和力學(xué)性能。為進(jìn)一步探究石墨烯改性增強(qiáng)碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的內(nèi)在機(jī)理，對(duì)不同石墨烯添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料斷面形貌進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖6。其中（a）～（d）分別為石墨烯添加量為0%、0.1%、0.2%和0.4%的斷面形貌。通過(guò)圖6 可知，未摻加石墨烯的復(fù)合材料，只有少數(shù)樹(shù)脂基體附著在碳纖維表面，碳纖維排列較為雜亂，纖維間排列不緊密，使得纖維出現(xiàn)滑移和堆積的現(xiàn)象，對(duì)樹(shù)脂與碳纖維的結(jié)合產(chǎn)生影響。在復(fù)合材料中，石墨烯添加量較少時(shí)，纖維間孔隙變小，斷面粗糙，纖維間分布有樹(shù)脂基體，排列較為整齊，受力均勻，使其力學(xué)性能有所上升[15]。當(dāng)石墨烯添加量為0.2%時(shí)，纖維間的間距最小，纖維間附著有許多基質(zhì)，增強(qiáng)了纖維與環(huán)氧樹(shù)脂的界面連接力，進(jìn)一步增加了復(fù)合材料的力學(xué)性能。繼續(xù)增加石墨烯添加量，纖維間距變大，且出現(xiàn)了纖維滑移的現(xiàn)象，排列緊密度有所下降，導(dǎo)致復(fù)合材料性能有所下降。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)將石墨烯懸濁液直接噴涂在碳纖維表面，制備了一種新型體育材料用復(fù)合材料，并對(duì)其性能進(jìn)行分析，具體結(jié)論為：

（1）石墨烯-碳纖維布微觀形貌表明，碳纖維表面光滑，添加適宜石墨烯后，石墨烯在碳纖維表面附著，使碳纖維結(jié)構(gòu)變得粗糙，但石墨烯添加量過(guò)多時(shí)，會(huì)在碳纖維表面堆積。

（2）石墨烯添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，復(fù)合材料的性能最佳。此時(shí)材料的界面剪切強(qiáng)度為67MPa，彎曲強(qiáng)度和沖擊韌性最高為756MPa 和27kJ/m2；復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)最低為，3.5×10-6℃。

（3）在復(fù)合材料中，適量石墨烯附著在碳纖維表面，對(duì)碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂基質(zhì)界面連接產(chǎn)生積極的作用，但過(guò)量石墨烯會(huì)使得纖維間距變大，使纖維出現(xiàn)滑移的現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)復(fù)合材料性能產(chǎn)生不良影響。