石墨烯改性碳纤维/环氧树脂复合材料的性能试验

程振华

（西北大学 现代学院，陕西 西安 710130）

随着时代的发展，复合材料的应用得到了普及，特别是在体育器材方面。但受碳纤维和环氧树脂材料特性的影响，两者结合界面性能较差，进而对复合材料的力学性能产生影响，限制了其在体育器材方面的应用，因此，提升复合材料界面结合力，增强复合材料力学性能是目前较为重要的研究。对此，国内很多学者也进行了研究，如南欣欣[1]以鳞片石墨合成了氧化石墨烯，然后对环氧树脂改性。通过试验证明了氧化石墨烯能够有效改善环氧树脂的脆性，提升其力学性能。薛鑫[2]制备了一种新型体育设施用的碳纤维复合材料，并用氧化石墨烯对材料进行改性。结果表明，氧化后的石墨烯对复合材料界面有改善作用，可提高复合材料的性能。以上研究表明了石墨烯对提升复合材料性能会产生积极的影响，但他们并未对石墨烯掺加量进行研究。为寻找性能最佳的石墨烯-碳纤维/环氧树脂复合材料，本文以石墨烯掺加量为变量，研究了石墨烯掺加量对复合材料性能的影响。

1.1 材料与设备

本试验主要材料：碳纤维布（固特嘉建筑工程，I 级）、无水乙醇（汝新化工贸易，CP）、环氧树脂（E44，勃慈商贸，标准品）、石墨烯片（度邦科技，粒径1μm）、丙酮（旭晨化工科技，AR）。

本试验主要设备：超声清洗机（巴克智能装备，BK-300U）、球磨机（德科仪器设备，DECO-PBM-AD）、电热鼓风干燥机（大祥电子机械设备，101-0S）、纤维-树脂基体界面强度测定仪（HM410，东荣株式会社）、扫描电子显微镜（津工仪器科技，EVO）、摆锤冲击试验机（HY-5J，衡翼精密仪器）。

1.2 试验方法

1.2.1 石墨烯-碳纤维/环氧树脂复合材料的制备

（1）在40mL 的无水乙醇中放入一定量石墨烯，置于BK-300U 型超声清洗机内超声10min，然后放入DECO-PBM-AD 型球磨机内研磨分散120min，得浓度为1mg/mL 的石墨烯悬浊液[3]。

（2）在1∶1 的无水乙醇和丙酮混合溶液中放入经处理的碳纤维布浸泡1d，然后用电热鼓风干燥箱烘干。将烘干后的碳纤维布放入浓硝酸中，置于超声清洗机内超声氧化120min。

（3）在烘干的碳纤维布上均匀喷洒提前制备好的石墨烯悬浊液，再次置于80℃的电热鼓风干燥箱内烘干。

（4）按照环氧树脂与碳纤维布2∶3 的比例称取环氧树脂，同时称取1/5 树脂体积的固化剂，混合后涂刷在石墨烯-碳纤维布表面，按照叠层铺设，然后置于室温静置30min 后加压固化6h，得石墨烯-碳纤维/环氧树脂复合材料。

以上制备流程可用图1 示意[4～5]。

1.3 性能表征

1.3.1 界面剪切性能

用HM410 型纤维-树脂基体界面强度测定仪测定复合材料的界面剪切性能，具体界面剪切强度计算表达式为[6～7]：

式（1）中，F—最大载荷,N；
d—碳纤维直径,nm；
τ—界面剪切强度,MPa；
l—树脂微珠包埋碳纤维部分长度,cm。

1.3.2 微观形貌分析

用EVO 型扫描电镜分析样品的微观形貌[8]。

1.3.3 力学性能测试

参照GB/T 1451-2005 标准，用HY-5J 型摆锤冲击试验机对样品的力学性能进行测试[9～10]。

1.3.4 热膨胀性能

样品的热膨胀性能是指在同一温度条件下，对样品的相对变形量进行测试，然后计算样品热膨胀系数，具体计算公式为：

式中，ΔT—温度差值的绝对值；
l0—样品两个面初始相对距离,cm；
w—两个面的相对位移,cm。

2.1 石墨烯-碳纤维布微观形貌分析

图2 为石墨烯处理前后碳纤维布微观形貌。其中（a）为未经处理的碳纤维布，（b）和（c）为石墨烯添加质量分数分别为0.2%和1%的石墨烯-碳纤维布。观察图2 可知，未经处理的碳纤维表面较为光滑。在添加石墨烯后，石墨烯微片附着在碳纤维表面，使得纤维粗糙度增加，这对材料结合界面内部三维立体结构的形成有很大的促进作用，界面机械咬合力增加，力学性能也随之提高[11～12]。当石墨烯添加质量分数增加至1%时，在碳纤维布表面观察到团聚的石墨烯。出现该现象的原因是石墨烯过多，降低了材料间的界面结合力，进而对材料的力学性能产生了不良影响[13～14]。综上，适宜的石墨烯添加质量分数对复合材料性能的提升会产生积极的作用，但过量石墨烯会在纤维表面团聚，因此改性碳纤维/环氧树脂复合材料时，需要考虑石墨烯的添加量。

2.2 界面剪切强度分析

图3 为石墨烯添加量与复合材料界面剪切强度间的关系。由图3 可知，复合材料界面剪切强度随石墨烯添加量的增加先上升后下降。该结果印证了2.1 的结论，即随着添加的石墨烯质量分数增加，复合材料的界面剪切强度增加，且当石墨烯添加质量分数为0.2%时，界面剪切强度最高为67MPa。由此可见，在石墨烯-碳纤维/环氧树脂复合材料中，石墨烯适宜添加量为0.2%。

2.3 复合材料力学性能分析

复合材料力学性能直接受界面剪切强度的影响。因此，改变石墨烯的添加量，观察复合材料力学性能的变化，具体结果见图4。由图4 可知，随石墨烯含量的增加，复合材料的力学性能变化规律与界面剪切强度规律一致，即当石墨烯添加质量分数为0.2%，弯曲强度和冲击韧性达到最高为756MPa 和27kJ/m2。

2.4 热膨胀性能分析

考虑到部分体育器材的使用环境是在户外，因此对复合材料的热膨胀性能有较高的要求。对掺入不同石墨烯质量分数的复合材料进行热膨胀性能分析，得到结果见图5。通过图5 可知，随着体系内石墨烯质量分数的增加，复合材料的热膨胀性能表现出“V”字变化，这是受环氧树脂与碳纤维材料变化的影响。温度变化时，材料结合的地方出现应力，材料出现膨胀变形。添加石墨烯后，石墨烯增强了纤维与环氧树脂的结合力，使其界面结合得更为紧密，在温度的作用下不易产生变形，热膨胀变小。而石墨烯掺量过多时，互相团聚，对界面力反而产生不良影响，热膨胀慢慢地增加。

2.5 复合材料断面形貌分析

通过2.1～2.3 结果可知，石墨烯质量分数对复合材料的影响较大。当石墨烯添加质量分数为0.2%时，复合材料表现出较好的界面剪切性能和力学性能。为进一步探究石墨烯改性增强碳纤维/环氧树脂复合材料的内在机理，对不同石墨烯添加质量分数的复合材料断面形貌进行分析，结果见图6。其中（a）～（d）分别为石墨烯添加量为0%、0.1%、0.2%和0.4%的断面形貌。通过图6 可知，未掺加石墨烯的复合材料，只有少数树脂基体附着在碳纤维表面，碳纤维排列较为杂乱，纤维间排列不紧密，使得纤维出现滑移和堆积的现象，对树脂与碳纤维的结合产生影响。在复合材料中，石墨烯添加量较少时，纤维间孔隙变小，断面粗糙，纤维间分布有树脂基体，排列较为整齐，受力均匀，使其力学性能有所上升[15]。当石墨烯添加量为0.2%时，纤维间的间距最小，纤维间附着有许多基质，增强了纤维与环氧树脂的界面连接力，进一步增加了复合材料的力学性能。继续增加石墨烯添加量，纤维间距变大，且出现了纤维滑移的现象，排列紧密度有所下降，导致复合材料性能有所下降。

本试验将石墨烯悬浊液直接喷涂在碳纤维表面，制备了一种新型体育材料用复合材料，并对其性能进行分析，具体结论为：

（1）石墨烯-碳纤维布微观形貌表明，碳纤维表面光滑，添加适宜石墨烯后，石墨烯在碳纤维表面附着，使碳纤维结构变得粗糙，但石墨烯添加量过多时，会在碳纤维表面堆积。

（2）石墨烯添加质量分数为0.2%时，复合材料的性能最佳。此时材料的界面剪切强度为67MPa，弯曲强度和冲击韧性最高为756MPa 和27kJ/m2；
复合材料热膨胀系数最低为，3.5×10-6℃。

（3）在复合材料中，适量石墨烯附着在碳纤维表面，对碳纤维和环氧树脂基质界面连接产生积极的作用，但过量石墨烯会使得纤维间距变大，使纤维出现滑移的现象，进而对复合材料性能产生不良影响。