氧化石墨烯-碳纤维复合增强体的制备及其复合材料界面性能

zhaozl023

碳纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、高比模量、低密度和耐疲劳等优异性能，广泛应用于航空航天、汽车、采油、化工和建筑领域。但碳纤维表面能低，表面反应活性点少，呈现表面化学惰性，严重影响了碳纤维增强树脂基复合材料中碳纤维与树脂基体的界面粘合以及界面应力传递能力。因而提高碳纤维复合材料界面性能的工作一直是研究热点。本文采用水相电泳沉积的方法将氧化石墨烯修饰到碳纤维表面，然后再进行热处理，制备了结合紧密的氧化石墨烯薄膜-碳纤维复合增强体，通过改善复合材料的界面性能进而提高复合材料的整体性能。主要研究内容如下： 一、成功地制备了均匀稳定的氧化石墨烯水溶胶。采用Hummers法成功合成了氧化石墨，其片层和端面处含有丰富的活性官能团，晶格间距d002为0.713nm；利用超声处理将氧化石墨在水中进行剥离和分散，获得均匀稳定的氧化石墨烯水溶胶；因其表面生成了大量的含氧活性官能团使其Zeta电位表现出负的电势，当pH为 9-10范围内，具有较高的Zeta电位，容易制得稳定的水溶胶。 二、通过水相电泳沉积及热处理，成功地制备了氧化石墨烯-碳纤维复合增强体。水相电泳沉积之后通过热处理，提高了氧化石墨烯与碳纤维的结合力。通过X射线光电子能谱和热重质谱联用等手段对热处理前后的氧化石墨烯-碳纤维复合增强体进行表征和分析，结果表明氧化石墨烯以共价键形式结合到碳纤维表面。 三、制备了氧化石墨烯-碳纤维复合增强体的单纤维体系环氧树脂基复合材料，并通过研究单丝的接触角及碳纤维与环氧树脂之间的界面强度来揭示氧化石墨烯-碳纤维复合增强体对复合材料界面的增强机理。测试结果表明，沉积氧化石墨烯的碳纤维的接触角比初始碳纤维的接触角明显降低，与基体树脂的浸润性得到改善，复合材料的界面剪切强度提高了72.87%。分析界面强度得到提高的原因主要有两点：一方面，氧化石墨烯表面丰富的含氧官能团将增强了碳纤维与树脂的反应活性，使化学键合力加强；另一方面，氧化石墨烯片层具有褶皱结构，增加了纤维的表面粗糙度，使其与树脂的机械嵌合作用提高。