论文部分内容阅读
环氧树脂拥有出色的抗腐蚀、电绝缘及粘接等性能,但其阻碍裂纹扩展、耐热及耐磨等性能仍有待改善。石墨烯是一种由单层碳原子经SP2杂化并有序延伸堆积的蜂巢状结构体,拥有出色的机械强度、比表面积、电/热导率及摩擦系数等。为了弥补环氧树脂的缺陷及充分发挥石墨烯的优异性能,可以将石墨烯作为填料与环氧树脂混合,从而获得具有优异综合性能的复合材料。本文以硅烷偶联剂KH560为改性剂对石墨烯进行了表面改性,对改性前后的石墨烯进行了FT-IR、XRD、TG/DTA及SEM等测试及表征。以改性石墨烯为填料,环氧树脂为基体制备了复合材料,并研究了其力学、热学及摩擦磨损等性能随填料含量的变化规律。同时,以石墨烯为填料制备了复合材料,对比了改性前后的石墨烯对基体性能的增强效果。另外,还采用了同样的改性方案对碳纳米管也进行了改性,对改性前后的碳纳米管进行了FT-IR、XRD、TG/DTA及SEM等测试及表征,并以改性石墨烯+改性碳纳米管为混合填料制备了复合材料,研究了其力学、热学及摩擦磨损等性能随填料混合比例的变化规律。研究结果表明,KH560水解后产生的-OH与石墨烯及碳纳米管经酸化引入的-OH之间发生了偶联反应并生成了Si-O-C基团,KH560成功嫁接至其表面;与石墨烯相比,改性石墨烯的层间距有所增大,在超声时将更容易剥离;石墨烯的表面较平整,片层较致密,而改性石墨烯的表面较粗糙,结构较松散,堆叠聚集在一起并形成大尺寸石墨烯片的情况减少;碳纳米管的表面较光滑,长径比较大,然而较长的一维尺寸将导致其在基体中易相互缠绕;改性碳纳米管的表面较粗糙,长径比相对降低,将减少其在基体中的相互缠绕。随着改性石墨烯含量增加,改性石墨烯/环氧树脂复合材料的弹性模量和拉伸强度呈增长趋势,含量为0.3 wt.%时弹性模量达到峰值1090.6MPa,含量为0.5 wt.%时拉伸强度达到47.4Mpa;与石墨烯相比,改性石墨烯为填料时的弹性模量和拉伸强度分别提高了3.5%和14.5%;改性石墨烯与改性碳纳米管混合增强时的拉伸性能更优,当混合比例为1:1时弹性模量和拉伸强度分别到达峰值1135.1MPa和54.9MPa。纯环氧树脂的断口表面光滑且平整,呈脆性断裂,而复合材料断口较粗糙,改性石墨烯在拉伸断裂过程中对基体具有拉扯作用;与石墨烯相比,基体中改性石墨烯的堆叠团聚较少,分散有一定程度改善;改性石墨烯与改性碳纳米管混合增强时二者起到相互阻隔的作用,堆叠团聚及缠绕现象减少。随着改性石墨烯含量增加,改性石墨烯/环氧树脂复合材料的热稳定性呈增长趋势,含量为0.5 wt.%时T5%、T15%和R800℃分别为401.2℃、492.7℃和11.7%;与石墨烯相比,改性石墨烯为填料时的T5%、T15%和R800℃分别提高了0.4%、0.7%和0.9%;改性石墨烯与改性碳纳米管混合增强时的热稳定性更优,当混合比例为2:1时T5%达到峰值402.4℃,当混合比例为1:1时T15%和R800℃分别达到峰值507.0℃和12.1%。随着改性石墨烯含量增加,改性石墨烯/环氧树脂复合材料的磨损量和摩擦系数均呈减小趋势,含量为0.5 wt.%时磨损量和摩擦系数较纯环氧树脂分别降低了44.9%和14.6%;与石墨烯相比,改性石墨烯为填料时的磨损量和摩擦系数分别降低了15.8%和5.0%;改性石墨烯与改性碳纳米管混合增强时的摩擦磨损性能更优,当混合比例为1:1时磨损量和摩擦系数较纯环氧树脂分别降低了52.9%和22.1%。纯环氧树脂的磨损面含有大量犁沟且粗糙度较高,主要为磨粒磨损,而复合材料的磨损面犁沟较少且粗糙度较低,随着改性石墨烯含量增加,磨损面的犁沟进一步减少且粗糙度呈降低趋势;与石墨烯相比,改性石墨烯为填料时的磨损面犁沟更少且粗糙度更低;改性石墨烯与改性碳纳米管混合增强时的磨损面犁沟进一步减少且粗糙度亦进一步降低。