环氧树脂基碳纤维复合材料的界面设计与性能

环氧树脂基/碳纤维复合材料的界面设计与性能针对航空航天用复合材料高性能、低成本化的迫切需求,为解决树脂基复合材料脆性较大、抗冲击韧性差等问题,以高粘度的环氧树脂（EP）和疏松多孔的膨胀石墨（EG）为原料,采用三辊研磨技术（TRM）连续剥离膨胀石墨获得纵横比大的纳米石墨烯片（GNPs）,再将经过剥离后的GNPs和EP混合液通过固化制度进行加热固化得到纳米石墨烯片原位强化环氧树脂基/碳纤维复合材料,并采用

熔盐法制备的功能化粒镁铝尖晶石（MA）对CF进行改性,然后进一步制备得到高性能GNPs-EP/MA-CF复合材料。主要研究结果如下:（1）以疏松多孔的EG作为原料,在EP介质中通过TRM技术进行连续剥离,得到在EP中均匀混合的剥离产物,利用XRD、SEM和HRTEM对剥离产物结构、表面形貌、片层数及厚度进行表征。

结果表明,剥离的产物为厚度4-20 nm、平均纵横比可达400-1200的GNPs。（2）将剥离得到的GNPs均匀分散在EP中制备形成GNPs/EP复合材料,利用

TG-DTA和SEM对制备的GNPs/EP复合材料的热稳定性和结构、表面形貌进行表征,对GNPs/EP复合材料的弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度和拉伸模量等机械性能进行测试,结果表明:当膨胀石墨在环氧树脂中的质量比为1%时,此复合材料

的弯曲和拉伸性能最强,相对于纯环氧树脂材料,弯曲强度平均提升31.9%,拉伸

强度平均提升53.4%。

对其吸水率进行测试,含GNPs分别为0%、1%、2%、3%、4%、5%所制备的GNPs/EP 复合材料都有稳定的较低的吸水率,且对比在不同PH只溶液中的吸水率发现酸

碱环境对GNPs/EP材料的影响很小。（3）将剥离得到的GNPs均匀分散到EP中,再与CF采用铺层法进行复合,通过热压罐进行高温高压固化得到EP/CF复合材料。

利用TG-DTA和SEM对得到的EP/CF复合材料的热稳定性和结构、表面形貌、

进行表征。结果表明,制备得到的EP/CF复合材料在250℃之前有很好的热稳定性,且CF增强体和EP基体之间有很好浸润性。

并对EP/CF复合材料的弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度和拉伸模量等机械性能进行测试,当EG在环氧树脂中的质量比为1%时,此EP/CF复合材料的弯曲和拉伸性能最强,分别达到了471.21 Mpa和496.37 MPa,相对于不加GNPs的EP/CF 复合材料,弯曲强度平均提升26.1%,拉伸强度平均提升12.01%,总体性能都有提升。（4）以纳米氧化铝颗粒（Al₂O₃）和氧化镁颗粒（MgO）为原料,通过熔盐法在1150℃下合成了颗粒尺寸为0.1-2μm的八面体镁铝尖晶石（MA）。

将合成的MA对CF进行改性,再通过铺层法与GNPs和EP的混合物进行复合,经过热压罐进行高温高压固化得到GNPs-EP/MA-CF复合材料。利用SEM对得到的复合材料的结构、表面形貌进行表征,发现GNPs在EP基体中以分散均匀,以薄片形态存在于EP基体中,且没有团聚现象,GNPs和EP基体结合紧密。

CF表面粘附有MA,在EP基体中有着阻止CF拔出的作用。CF和EP基体之间结合也很紧密,EP基体牢固地粘附在碳纤维表面,之间没有气泡等缺陷。

可知GNPs、CF与EP基体之间都有很好的浸润性,使得制备得到的EP/CF复合材料的性能得以提升。并对复合材料的弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度等机械性能进行测试,当EG在EP中的质量比为1 wt.%时,含有1.5 wt.%MA改性的CF 制备得到EP/CF复合材料的试样测试中,弯曲强度和拉伸强度达到了最大,分别为672.43 MPa和513.97MPa,相比MA含量0%样品提升了20.2%和14.6%。

由此可见,通过TRM技术磨剥EG来获得GNPs可行的,并且掺杂EG到EP中可获得比纯EP性能更加优异的复合材料。