石墨烯-環(huán)氧樹脂復合材料的導電、導熱及力學性能研究.pdf

1、石墨烯作為一種新型的二維碳材料，自2004年被發(fā)現(xiàn)以來已經(jīng)廣泛應用在提高聚合物的導熱、導電和力學性能。本文以氧化石墨烯為制備石墨烯的前軀體，輔以其它功能填料，制備了多種環(huán)氧樹脂基復合材料，明顯提高了環(huán)氧樹脂的導電、導熱性能和力學性能。首先制備了對位芳綸(PPTA)漿粕纖維增強的石墨烯氣凝膠，采用真空灌注工藝與環(huán)氧樹脂復合，制備了高導電性和高壓縮強度的復合材料。其次，將球形氧化鋁與石墨烯微片復配作為協(xié)同導熱組分，以氫氧化鎂作為協(xié)同導熱和阻

2、燃填料，制備了具有優(yōu)良阻燃性能的高導熱環(huán)氧樹脂復合材料。最后，為改善環(huán)氧樹脂復合材料的韌性，以高強度對位芳綸纖維(PPTA)為增韌組分，在PPTA纖維表面負載石墨烯，制備了具有高沖擊強度和導電性能的環(huán)氧樹脂復合材料。取得的主要創(chuàng)新性結果如下:
　　(1)以氧化石墨烯和對位芳綸漿粕纖維為原料，通過化學還原氧化石墨烯制備了纖維增強的三維石墨烯氣凝膠(GOFA);高溫熱處理GOFA制備了碳纖維增強的石墨烯氣凝膠(GCFA)。PPTA漿粕

3、纖維促進了石墨烯氣凝膠的形成，GOFA復合氣凝膠的壓縮強度提高了5倍，高溫碳化后的復合氣凝膠的電導率隨纖維含量增加而快速提高，高達103S·m-1。將石墨烯和漿粕纖維預先構筑成三維氣凝膠網(wǎng)絡，避免了石墨烯和漿粕纖維在環(huán)氧樹脂中的分散不均勻，所制得的GOFA/環(huán)氧樹脂復合材料的壓縮強度比環(huán)氧樹脂提高了85％，GCFA/環(huán)氧樹脂復合材料壓縮強度提高44.1％，電導率達到102S·m-l，模量提高了60％。
　　(2)以球形氧化鋁(Al

4、2O3)和石墨烯微片(GNP)為導熱填料，制備了Al2O3/GNP/環(huán)氧樹脂導熱復合材料。球形Al2O3比非球形Al2O3更有利于環(huán)氧樹脂復合材料的澆鑄加工，將少量石墨烯微片與球形氧化鋁復合，有利于形成三維導熱網(wǎng)絡，在總填充量一定條件下，復合材料的熱導率隨GNPs含量增加而提高。氫氧化鎂作為導熱和環(huán)境友好的阻燃填料，被用于提高Al2O3/GNP/環(huán)氧樹脂導熱復合材料的阻燃性能。添加5％氫氧化鎂即可使導熱復合材料的垂直燃燒性能達到UL-9

5、4V-0等級。
　　(3)以對位芳綸(PPTA)纖維為環(huán)氧樹脂的增韌改性劑，運用水熱法在PPTA纖維上負載石墨烯，并與環(huán)氧樹脂復合制備了高填充量的PPTA/環(huán)氧樹脂復合材料及石墨烯/PPTA/環(huán)氧樹脂復合材料。探討了PPTA纖維及石墨烯用量對復合材料力學性能、玻璃化轉變溫度和電導率的影響，分析了纖維增韌機理。研究結果表明:復合材料的缺口沖擊強度隨PPTA纖維的增加而提高。負載石墨烯的PPTA纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的缺口沖擊強度比純