高导热抗疲劳石墨烯/三氧化二铝/天然橡胶复合材料制备、结构与性能研究
橡胶轮胎通常在周期性的载荷下工作，长时间的使用会导致橡胶轮胎内部生热严重并发生疲劳破坏，橡胶疲劳破坏带来的安全问题往往十分严重。尤其橡胶材料的导热性能较低，内部滞后生热很难释放到环境当中，这进一步导致疲劳性能的下降。为了提高天然橡胶的耐疲劳性能，考虑提高天然橡胶的导热性能将滞后生热从橡胶基体中导出到环境当中，从而提高天然橡胶复合材料的疲劳性能。同时由于疲劳测试周期长，考虑使用有限元方法引入热力耦合方程，提高对橡胶疲劳寿命预测的准确性。本论文中，橡胶基体选用天然橡胶，首先建立可预测疲劳寿命的有限元分析方法，同时使用球磨法制备石墨烯，进而将石墨烯和三氧化二铝作为导热填料与天然橡胶复合，重点研究橡胶复合材料导热性能对疲劳性能的影响。 论文的第一部分主要使用有限元法实现了橡胶复合材料的疲劳寿命预测，将超弹性本构方程和滞后生热模型引入到了疲劳寿命的预测当中，实现了橡胶复合材料的疲劳寿命预测。结果表明:引入热力耦合分析能够极大提升疲劳寿命预测的准确性，与不引入热力耦合分析相比，由于考虑了温度对粘弹性的影响，误差值从213.9％降低至13.9％。 第二部分主要采用球磨法制备了新型二维纳米填料石墨烯(GE)，通过调节球磨时间、石墨初始浓度、亚甲基双萘磺酸钠(NNO)浓度和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)浓度优化了石墨烯水相分散液的浓度。采用原力显微镜、拉曼光谱、X射线电子衍射等对GE结构进行了表征，结果表明当球磨时间为10h，石墨初始浓度100g/L，NNO浓度1g/L，CTAB浓度0.05g/L时，石墨烯分散液能达到最大浓度约为3.3g/L;石墨烯的片层厚度约为1.6nm，二维横向尺寸约500nm。 第三部分主要研究了GE增强以及GE与Al2O3复配对天然橡胶疲劳性能的影响。结果表明:随着石墨烯份数的增加，橡胶复合材料的拉伸强度、100％定伸强度、300％定伸强度、撕裂强度、导热性能都有明显的增强，当石墨烯份数为7phr时，GE/NR复合材料的导热性能达到了0.262W/m·K，说明制备的石墨烯既具有一定的补强性能，同时还能有效提升天然橡胶复合材料的导热性能。将GE与Al2O3并用，发现随着GE份数的增加，橡胶复合材料的100％定伸强度、300％定伸强度和导热性能都有所增加。比较其疲劳性能，结果表明:当石墨烯份数为5phr时，橡胶纳米复合材料的疲劳寿命最佳，主要原因是当石墨烯份数低于5phr时，橡胶复合材料的疲劳寿命受到导热性能影响更大;而当石墨烯份数高于5phr时，橡胶复合材料的疲劳寿命受到生热影响更大。
橡胶复合材料;三氧化二铝;石墨烯;热力耦合;疲劳性能
北京化工大学
硕士
材料工程
温世鹏;张法忠
2021
中文
TQ332;TQ336.1
2021-09-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）