石墨片环氧树脂复合材料的力学性能和热性能

石墨片环氧树脂复合材料的力学性能和热性能酸酐固化的双酚A二缩水甘油醚（DGEBA）与2.5—5%重量的石墨微片增强已被制造出来。

对这些复合材料的结构，力学性能，粘弹性进行了研究和比较，XRD研究表明，对复合材料的处理并没有改变原来的纯石墨d-间距。

复合材料的拉伸性能测量表明弹性模量与拉伸强度随着石墨微片的浓度增加而增加，储能模量和玻璃化转变温度（Tg）也随着石墨微片浓度上升而上升，但是线性热膨胀系数却降低了。

热稳定性通过热重分析测定。

与纯环氧树脂相比，这种复合材料表现出较高的热稳定性和炭浓度。

通过扫描电子显微镜对这些复合材料的损伤机理加固效果进行了研究。

关键词: 石墨微片环氧树脂复合材料一．介绍对更高性能的复合材料的需求不断在增加，以满足更高的要求或取代现有的材料，高性能的连续纤维（如碳纤维，玻璃纤维）增强聚合物基复合材料是众所周知的。

然而,这些复合材料在基体性能方面具有一些不足之处，往往限制他们的广泛应用和创造发展的需要新型的复合材料。

在塑胶行业,填料的加入对聚合物材料是一种常见的操作。

这不仅提高刚度，韧性,硬度,热变形温度,以及模具收缩率,也显著降低了加工成本。

事实上,超过50%的聚合物生产都用无机填料以某种填充方式达到所希望的性能。

最常用的粒子有碳酸钙、粘土、云母、氢氧化铝、玻璃珠,和金属磷酸盐。

填料的选择往往是基于最终产品所需要的性能。

改善复合材料的机械和其他性能在很大程度上依赖于填料粒子的含量、颗粒形状和大小,表面特征和分散性。

因此,对其增韧的这些复合材料的机理很多来自于如裂纹尖端应力场,应力表面的衔接,剥离∕微裂纹和裂纹偏转等。

据报道,微米级填料填充的复合材料的性能不如那些充满了纳米粒子级相同的填料。

此外,改进后的物理性质，化学性质，如表面平整度和阻隔性能，使用传统微米大小的粒子均不能达到。

因此，近年来纳米基础的复合材料已引起相当的重视。

这些都是一些很有前景的聚合物/粘土纳米复合材料，聚合物/石墨纳米微片材料，聚合物/碳纳米管复合材料。

这些纳米复合材料含有非常低量的填料（10％），相比之下，传统的颗粒复合材料常用的填料含量在40-60％的范围内。

此外，这些纳米复合材料是准各向同性，由传统方式相比，可以处理连续纤维增强复合材料。

值得一提的是硅酸盐粘土（蒙脱石）和石墨颗粒显示分层的自然结构并具有很高的长宽比（＞1000）。

一次插层或剥离的化学过程[7,21]。

虽然粘土纳米复合材料显示出较高的强度，弹性模量，热变形温度和阻隔性能，但是石墨烯纳米复合材料显示出优良的导电性能和热导性。

碳纳米管也显示出优异的机械性能(模量=1 TPa，强度=10倍的钢)、热、电性能。

在此基础上考虑,可以发展这些纳米级粒子提供材料的可修整性。

另据报道, 碳纳米管的价格是石墨烯500倍左右,可以用常规方法剥离和复合,而碳纳米管复合材料需要处理技术的发展对于分散，纳米管的波纹和排列。

因此，考虑到成本和所需的属性，石墨微片是碳纳米管方面的一个潜在的替代品。

然而，在纳米尺度的基本认识强化机制仍是重要和必要的。

众所周知石墨具有高强度和高导热性，它提供了决定真正的多功能复合材料的功能性，并具有成本效益的方式。

这种颗粒增强聚合物有许多潜在的应用，例如：阴极射线管和燃料电池，百代唱片，屏蔽电子罩，雷达吸波涂料，热机械增强材料。

我们现在的目标是研究制造以环氧树脂为基体，石墨烯微片增强的复合材料，并探讨其力学，热学和粘弹性能以及失效机制作为石墨烯浓度的功能。

2 实验2.1 原材料基体材料是三组分环氧系统是由双酚A二缩水甘油醚（DGEBA）通过酸酐固化剂，甲基四氢苯酐（甲基四氢苯酐）和加速器，1 - 甲基咪唑固化组成的系统。

这三个组件的系统是从Ciba-Geigy得出，重量处理比例是100:85:1。

这些物质的化学结构显示如图 1。

增强颗粒为净结晶石墨微片由基石技术有限责任公司（Wilkes-Barre的PA）开发出来。

表1[32]总结了作为石墨微片的性能。

石墨血小板的直径大小从4到76毫米不等，以22毫米为名义平均规模。

石墨微片的扫描电镜显微照片如图 2。

这些微片由薄六角板或扭曲状片状板集聚而成。

这就很难企图从SEM显示度的照片来衡量石墨片的厚度，虽然典型的厚度为150纳米。

一个简单的涉及表面积和石墨片材料厚度关系式为其中，A为每单位质量的具体表面面积（平方米/克），ρ为密度（克/立方厘米）;t 为石墨片厚度（nm）的。

获得的石墨片的厚度为250纳米时，按上式计算。

考虑表面积和密度分别为3.56平方米/克和2.25克/毫升的石墨片，性能分别列于表1。

图2 扫描电镜下的石墨片这给出了一个15-300的宽高比。

因此，这些石墨片与报道的小于100纳米厚的石墨纳米片相比较厚。

进一步对这些石墨片合成的信息是Cornerstone技术有限责任公司专有的。

一般情况下，天然石墨通过化学和热处理的组合来剥离[22,23];石墨通过酸处理和高温热冲击达到剥离。

在最近的一项研究发现，这样的过程中产生的膨胀石墨片表面面积为40平方米/克，厚度小于50纳米[26]。

然而，借助正确的设和过程，它有可能产生石墨纳米薄片或“石墨烯”，对应的表面面积超过2600平方米/克，厚度小于1纳米。

另据报道，酸处理天然石墨生成含氧官能基（-OH和-COOH），同时促进石墨和聚合物之间的物理和化学反应[23,24] 2.2 复合材料的制备石墨片/环氧树脂复合材料的制备按照如下标准程序。

首先，环氧树脂（DGEBA）与85％固化剂混合。

接下来，加入石墨片并使用磁力搅拌器在60℃下搅拌混合大约1小时。

最后，1％的加速剂添加到混合物中在室温温度下缓慢搅拌。

加速剂在最后被添加，因为它有助于混合物的开始固化过程。

然后将混合物倒在一个准备好的ASTM标准D638-99的铝模模具里，然后放置在烤箱，在138℃固化1小时。

在这项研究中，制备复合材料的石墨浓度有2.5和5wt％。

加入较高浓度的石墨，以观察其对纯环氧树脂的影响。

然而，浓度在5wt％以上时，混合物会非常粘稠，难以处理。

准备长165毫米和2.5毫米厚，50毫米的标距长度，宽度为13毫米的拉伸样条。

2.3。

表征技术2.3.1。

广角X射线衍射（WAXD）WAXD的是用来验证的复合材料得到结构。

WAXD是在Rigaku衍射仪上以40千伏及20毫安进行铜卡辐射作业（lZ1.541°）。

扫描范围是4-60°，速度0.58°/min。

2.3.2。

力学性能测试进行拉伸试验在Instron8500液压试验机在横梁率0.25毫米/分钟，相当于每秒0.01％的应变率。

与应变计均录得的数据，每组进行了至少六个测试。

2.3.3。

显微镜拉伸试验，检查使用日立S4500 FE扫描电子显微镜来识别断口断裂模式。

断裂表面金涂层之前，检查扫描电镜避免充电，并在15千伏的加速电压下检查。

由于石墨是导电的，粒子可以在无金涂层的情况下用3千伏的加速电压检查。

在复合材料中的石墨片分布还用光学显微镜检查。

2.3.4。

动态力学分析（DMA）纯环氧树脂和石墨片/环氧树脂复合材料的DMA都可以用模型2980的DMA动态力学分析仪（美国TA仪器）来确定热力学性能，如储能模量Eˊ，损耗模量E＂阻尼系数tan ð，玻璃化转变温度（Tg）。

实验开展对柱状样品（30毫米×8毫米×2毫米）在单悬臂模式下， 1赫兹的频率（对应的应变速率为每秒0.05％），38C/min的升温和扫描温度，被使用的范围从30到200℃。

玻璃转变温度TG由棕褐色的D曲线的高峰决定。

每组至少有三个样条进行测试。

2.3.5。

热膨胀系数纯环氧树脂及其复合材料的热膨胀系数（CTE）的确定使用应变计量仪技术。

热应变与斜坡温度曲线测量复合材料的热膨胀系数。

样本通过烤烘箱以2℃/min的速度从室温加热到200℃（远高于Tg）。

热应变采用高温应变计记录。

粘结在试样上表面以下的用公司的标准程序计微测量。

应变压力表读数校准用钛硅酸盐样品，由于纯粹的热输出和错误要考虑应变和更正。

2.3.6。

热重分析（TGA）复合材料的热稳定性研究使用TGA-SDT的2960热重分析仪（TA仪器，美国）。

TGA扫描记录在恒定的氮气流量为100毫升/分钟下以20℃/min的速度从室温加热到800℃的数据。

每种情况下至少有三个测试进行。

3。

结果与讨论3.1。

微观结构石墨浓度为2.5和5wt%环氧树脂复合材料的光学显微照片分别如图 3（a）和（b）。

发现石墨片的分布几乎一致，没有固化后的隔离。

纯环氧树脂基体是透明的，但加了石墨制成的复合材料不透明。

3.2。

广角X射线衍射测量图4显示了纯石墨片和它的复合材料的WAXD模式。

这两种纯石墨片和石墨片/环氧复合材料表现出较陡的高峰，在第二峰的26.58°，相应的层间距3.36Å。

这层间距正与]观察到的纯晶质石墨[33相同。

这证实了石墨片W250 nm的厚度（计算），仍然是秩序和多层，因此，保持其原有的D-间距。

为此，进一步表明在这项研究中使用的加工技术是无法影响结构中的秩序或脱落石墨片中的环氧基。

图3 光学显微镜下石墨片环氧树脂复合材料的截面。

（a）2.5wt%的石墨（b）5wt%的石墨3.3。

密度环氧树脂材料的低密度是众所周知的。

然而，填料的密度通常高于纯环氧树脂。

正是因此，重要的是知道加入填料引起额外密度的变化。

由石墨片浓度引起的密度变化可由传统的方式测量。

复合材料的密度也按混合物规则计算。

相应的公式为：其中f是石墨片体积分数，W是石墨片的质量分数，ρp是石墨片密度，ρm是基体密度，ρc是复合材料的密度。

据悉，石墨颗粒的密度（ρp）变化范围在1.9-2.3克/立方厘米（见表1）。

使用ρp=1.9克/立方厘米，ρm=1.2克/立方厘米（密度测量的纯环氧树脂）在这项研究中，2.5 wt％的石墨密度的环氧树脂复合材料密度变成1.208克/立方厘米。

使用ρp=2.3克/立方厘米，2.5 wt％的石墨/环氧树脂复合材料的密度变为1.211克/立方厘米。

这两个数字是非常接近的测量值（1.21克/立方厘米）。

然而，在密度为5 wt％的石墨血小板/环氧树脂体系应介于1.219和1.226克/立方厘米，这是低于测量密度1.244克/立方厘米。

这种差异可能是由于石墨偶尔存在夹杂物（如粘土）粒子，石墨变得更加明显含量的增加。

然而，它可以建议由于石墨密度增加在纯环氧仍然是微不足道的。

图4 X射线衍射下的纯石墨和它的复合材料3.4。

机械性能纯环氧树脂与2.5和5wt％的石墨片浓度的增强的石墨环氧树脂复合材料的拉伸性能列于表2。

从这个表中可以看出，两种复合材料表现出比纯环氧树脂更高的弹性模量和强度。

他们还表明，比纯环氧树脂在更高应变下失效。