石墨烯_环氧基复合材料的制备及性能研究

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1、石墨烯/环氧基复合材料的制备及性能研究PreparationandPropertiesofGraphene/EpoxyComposite研究生：田鑫指导教师：佟钰副教授学科专业：材料学二〇一五年十二月分类号：学校代码：10153UDC：密级：公开硕士学位论文石墨烯/环氧基复合材料的制备及性能研究作者姓名：田鑫入学年份：2013年9月指导教师：佟钰副教授学科专业：材料学申请学位：工学硕士所在单位：材料科学与工程学院论文提交日期：2015年11月论文答辩日期：2015年12月学位授予日期：2016年1月答辩委员会主席：王长松答辩委员会组成：王长松

2、谷亚新赵苏时方晓刘运学论文评阅人：张巨松王作明ScannedbyCamScanner硕士研究生学位论文摘要I摘要环氧树脂（epoxy,EP）是使用最广泛的高分子材料之一，具有诸多优异的物理、化学和力学性能，例如：尺寸稳定性好，硬度高，绝缘性能好，粘结性强，化学稳定性好，有一定耐热性等。但环氧树脂的脆性大、抗冲击性差，限制了环氧树脂的进一步应用推广。石墨烯作为新兴的二维纳米结构，其超高比表面积和结构完整性使其具有特别高的强度和模量，极佳的导电性和导热性。众多研究表明，石墨烯具备提高环氧树脂强度和韧性的应用潜力，然而由于范德华力作用，石墨烯很容易

3、在聚合物基体中发生团聚，限制了石墨烯本身性质的发挥，使得石墨烯对环氧树脂力学性能的提升效果有限。本研究以多层石墨烯（multi-layergraphene,MLG）为增强材料，利用自主发明的气泡分散方法，实现石墨烯在环氧树脂中均匀分散，利用气泡产生及膨胀过程中膜壁的形变过程对基体中预埋的石墨烯粒子产生牵张作用。不仅可使团聚的石墨烯粒子分离，更有助于促使蜷曲的石墨烯粒子伸展开来，完善石墨烯与树脂基体的界面粘结，因此表现出更为显著的分散和增韧作用。本文系统考察了气泡分散时间及石墨烯掺量对复合材料微观结构与拉、压、弯等应力条件下的力学性能，包括：强

4、度、断裂伸长率、弹性模量、韧度等性能指标。扫描电子显微镜(SEM)对比分析发现，与纯环氧树脂相比，气泡分散法制备MLG/EP复合材料的受拉破坏断面出现显著起伏，石墨烯分散状态良好，并表现出明显的受拉拔出形态。力学测试结果表明，气泡分散方法对复合材料的力学性能有一定的改善作用，随气泡分散时间的延长，复合材料的力学强度和弹性模量均呈上升趋势，8h分散样品的拉伸模量较气泡分散0h（仅用机械搅拌）提高91.18%，弯曲模量提高83.33%，压缩模量提高16.76%。实验进一步检验了气泡分散效果与石墨烯掺量之间的关系，结果表明，复合材料的力学性能随石墨

5、烯掺量的增大先升高后降低，在石墨烯掺量为0.45wt%时，MLG/EP复合材料的力学性能最好，其拉伸模量较纯环氧树脂提高了70.59%，弯曲模量提高了42.59%，压缩模量提高了24.32%；但石墨烯继续加入时，复合材料的力学性能反而呈下降趋势。差示扫描量热分析（DSC）表明，MLG掺量越大，复合材料的玻璃化转变温度越大，1.05wt%MLG掺量较纯环氧树脂提高38℃。与分散剂法相比，气泡分散方法不仅降低了制备成本，而且在石墨烯-树脂界面消除了分散剂的存在，对于复合材料的力学性能有一定改善作用。与超声分散法相比，气泡分散法工艺简单，生产能耗小

6、、成本低，无污染，且适用范围更广，也更适合于工业化大规模生产。关键词：石墨烯；环氧树脂；气泡分散方法；力学性能；制备II摘要硕士研究生学位论文硕士研究生学位论文AbstractIIIAbstractBeingoneofthemostwidelyusedpolymermaterials,epoxyresin(EP)hasmanyexcellentphysical,chemicalandmechanicalproperties,suchasgooddimensionalstability,highhardness,goodinsulationpe

7、rformance,strongbondingstrength,goodchemicalinertness,acceptableheatresistance,etc.Butthebrittlenessandpoorimpactresistanceofepoxyresinlimitsthefurtherapplicationofsuchepoxyresintosomeextent.Graphenein2Dnanostructurewithlargesizeandhighstructuralintegrityhassuperiorstrength

8、andmodulus,highelectricalconductivityandthermalconductivity.Numerousstudieshavesho