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石墨烯具有优异的力学、热学和电学性能,有望在微电子、能源、信息、材料和生物医药等领域具有重要的应用前景。目前制约石墨烯及其复合材料研究和应用的因素主要有:1).如何实现石墨烯规模化制备;2).如何实现石墨烯的可控功能化和产业化。石墨烯的可控功能化可通过将石墨烯作为填料来制备新型功能聚合物纳米复合材料来实现,以改善纳米复合材料的力、热、电等综合性能。 本文采用氧化石墨烯还原法制备了石墨烯。采用FT-IR、XRD、UV-vis对其结构进行了分析,TG-DSC和AFM对其热稳定和形貌进行表征。研究表明:氧化石墨层间距由石墨层间距0.34nm增加到0.78nm,氧化石墨还原后,所得石墨烯样品层间距介于石墨和氧化石墨之间,仍然残留着含氧官能团及缺陷。氧化石墨表面含有大量的羟基、羧基等极性基团;还原后这些含氧极性基团显著减少,石墨烯的电子共轭结构得到恢复。石墨烯有良好的热稳定性。其片层厚度均为1.1-1.5nm,能很好地分散于水溶液中。 采用溶液共混法制备了石墨烯/聚酰亚胺复合材料。研究了石墨烯添加量对复合材料力学性能、密度和吸水性能的影响,用SEM对复合材料拉伸断面的形貌进行观察分析。研究了石墨烯的含量及摩擦实验条件对石墨烯/聚酰亚胺复合材料的摩擦学性能的影响,并用SEM对磨损表面形貌进行观察,并初步探讨了摩擦磨损作用机理。研究表明:石墨烯可在聚酰亚胺树脂基体中均匀分散,石墨烯的加入改善了聚酰亚胺树脂的吸水性能以及热稳定性,但没有影响聚酰亚胺的结构。复合材料的韧性、拉伸强度和断裂伸长率随着石墨烯添加量的增加,都呈现先上升而后下降的特征,而杨氏模量则呈现下降的趋势。复合材料的冲击强度和硬度也呈现先升高而后下降的趋势。当石墨烯的添加量为1.0％时,复合材料的拉伸强度和断裂伸长率均达到最大值30.97MPa和6.84%。 石墨烯的加入有效地改善了复合材料的减磨和耐磨性能。随着石墨烯含量和摩擦速度增加,复合材料的摩擦系数和磨损率均逐渐降低。复合材料的摩擦系数随着载荷和钢球直径增加而增加,而磨损率呈现逐渐降低的趋势。复合材料与ZrO2陶瓷球摩擦系数和磨损率低于Al2O3陶瓷球。聚酰亚胺及石墨烯/聚酰亚胺复合材料的磨损机制均以粘着磨损为主。