石墨烯/环氧树脂复合材料的导电、导热及力学性能研究
石墨烯作为一种新型的二维碳材料，自2004年被发现以来已经广泛应用在提高聚合物的导热、导电和力学性能。本文以氧化石墨烯为制备石墨烯的前躯体，辅以其它功能填料，制备了多种环氧树脂基复合材料，明显提高了环氧树脂的导电、导热性能和力学性能。首先制备了对位芳纶(PPTA)浆粕纤维增强的石墨烯气凝胶，采用真空灌注工艺与环氧树脂复合，制备了高导电性和高压缩强度的复合材料。其次，将球形氧化铝与石墨烯微片复配作为协同导热组分，以氢氧化镁作为协同导热和阻燃填料，制备了具有优良阻燃性能的高导热环氧树脂复合材料。最后，为改善环氧树脂复合材料的韧性，以高强度对位芳纶纤维(PPTA)为增韧组分，在PPTA纤维表面负载石墨烯，制备了具有高冲击强度和导电性能的环氧树脂复合材料。取得的主要创新性结果如下: (1)以氧化石墨烯和对位芳纶浆粕纤维为原料，通过化学还原氧化石墨烯制备了纤维增强的三维石墨烯气凝胶(GOFA);高温热处理GOFA制备了碳纤维增强的石墨烯气凝胶(GCFA)。PPTA浆粕纤维促进了石墨烯气凝胶的形成，GOFA复合气凝胶的压缩强度提高了5倍，高温碳化后的复合气凝胶的电导率随纤维含量增加而快速提高，高达103S·m-1。将石墨烯和浆粕纤维预先构筑成三维气凝胶网络，避免了石墨烯和浆粕纤维在环氧树脂中的分散不均匀，所制得的GOFA/环氧树脂复合材料的压缩强度比环氧树脂提高了85％，GCFA/环氧树脂复合材料压缩强度提高44.1％，电导率达到102S·m-l，模量提高了60％。 (2)以球形氧化铝(Al2O3)和石墨烯微片(GNP)为导热填料，制备了Al2O3/GNP/环氧树脂导热复合材料。球形Al2O3比非球形Al2O3更有利于环氧树脂复合材料的浇铸加工，将少量石墨烯微片与球形氧化铝复合，有利于形成三维导热网络，在总填充量一定条件下，复合材料的热导率随GNPs含量增加而提高。氢氧化镁作为导热和环境友好的阻燃填料，被用于提高Al2O3/GNP/环氧树脂导热复合材料的阻燃性能。添加5％氢氧化镁即可使导热复合材料的垂直燃烧性能达到UL-94V-0等级。 (3)以对位芳纶(PPTA)纤维为环氧树脂的增韧改性剂，运用水热法在PPTA纤维上负载石墨烯，并与环氧树脂复合制备了高填充量的PPTA/环氧树脂复合材料及石墨烯/PPTA/环氧树脂复合材料。探讨了PPTA纤维及石墨烯用量对复合材料力学性能、玻璃化转变温度和电导率的影响，分析了纤维增韧机理。研究结果表明:复合材料的缺口冲击强度随PPTA纤维的增加而提高。负载石墨烯的PPTA纤维/环氧树脂复合材料的缺口冲击强度比纯环氧树脂提高53％。石墨烯负载于纤维上，有利于三维导电网络的形成，复合材料电导率达到了10-1S·m-1。表面负载石墨烯的PPTA纤维对环氧树脂的填充实现了环氧树脂的增韧增强的同步效应，纤维通过拔出效应、纤维架桥以及阻止裂缝扩展等机理，对复合材料起到增韧导电的作用。
复合材料;石墨烯;环氧树脂;导电性能;导热性能;力学性能
北京化工大学
博士
材料科学与工程
于中振
2017
中文
TB332;TB303
125
2017-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）