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碳纤维增强环氧树脂复合材料（CFREs）由于具有优良的比强度、比模量、耐化学腐蚀性和耐疲劳性，目前被广泛地应用于航空航天、军工、轨道交通、汽车和风电等领域。但是由于在厚度方面没有碳纤维承受载荷，CFREs 在受到冲击载荷时容易分层开裂。在环氧树脂基体中加入纳米填料改性是提高CFREs层间断裂韧性的一个新方法。此外，在航空航天领域，对于高耐热环氧树脂具有迫切需求。本课题目标在于开发一种高耐热环氧树脂体系，并对利用氧化石墨烯（GO）和改性GO对该环氧树脂和相应的CFREs进行增韧改性研究。
首先，研究了两种不同促进剂1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯（DBU）和2-乙基-4-甲基咪唑（IMD）对脂环族环氧树脂/酸酐固化体系的固化动力学、热机械性能和吸湿性的影响。动态力学分析测试结果表明，在脂环族环氧/酸酐体系中加入0.5 wt%的DBU和IMD促进剂，固化后得到的环氧树脂的玻璃化转变温度（Tg）分别为 253 和 252℃，室温下的储能模量分别为2895和2850 MPa。利用差式扫描量热分析仪（DSC）研究了含有两种促进剂环氧树脂体系的固化动力学，并根据Kissinger和Ozawa法分别计算得到固化反应活化能。结果表明，相比含IMD的树脂体系，含DBU的树脂体系具有更低的固化反应活化能，说明DBU 具有更高的催化反应活性。通过热失重分析（TGA）表征两种环氧固化物的热稳定性，结果表明含DBU的环氧树脂固化物具有更好的热稳定性，且高温下具有更高的残碳量。吸湿性测试结果表明相比含IMD的环氧树脂，含DBU的环氧树脂表现出更高的亲水性。
其次，利用己醇胺对 GO 表面进行化学改性，以提高 GO 填料在脂环族环氧树脂/酸酐体系中的分散性和界面作用。改性 GO 的结构组成和形貌利用红外光谱（FTIR）、X 射线光电子能谱（XPS）、X 射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FESEM）、原子力显微镜（AFM）进行了表征。采用高速剪切搅拌和超声处理的方式将 GO 和改性 GO 分散在环氧树脂中。对于添加了 GO 和改性 GO 的脂环族环氧树脂/酸酐体系的固化行为、热机械性能、弯曲性能、断裂韧性和吸湿性进行了评价。结果表明，加入两种填料后，脂环族环氧树脂/酸酐体系固化物的储能模量和Tg都略有降低，但是环氧树脂的弯曲强度、弯曲模量、临界应力强度因子(KIC)和临界形变能释放速率（GIC）都得到了提高。此外，含改性 GO 的环氧树脂表现出较高的吸湿性，这可能是由于加入了改性 GO 降低了环氧树脂的交联密度。利用FESEM对环氧树脂试样的断裂面进行观察，并以此来推测环氧树脂纳米复合材料的增韧机理，结果发现增韧主要通过产生微裂纹、裂纹偏折及裂纹阻塞等机理。
最后，利用含有GO和改性GO的脂环族环氧/酸酐树脂体系为基体制备了CFREs。重点研究了树脂基体中加入两种填料对复合材料的层间断裂韧性的影响。根据 ASTM D 5528-01和ASTM D7905M–14标准对CFREs的I型和II型层间断裂韧性进行测试。相比含GO的CFREs，含改性GO的CFREs的I型层间断裂韧性增加了16%，不含预制裂纹的II型断裂韧性提高了29%，含预制裂纹的II型断裂韧性提高了9%。利用FESEM对II型断裂韧性测试后的试样进行观察，结果表明树脂基体中加入改性 GO 后可显著提高碳纤维和树脂基体之间的界面作用。
首先，研究了两种不同促进剂1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯（DBU）和2-乙基-4-甲基咪唑（IMD）对脂环族环氧树脂/酸酐固化体系的固化动力学、热机械性能和吸湿性的影响。动态力学分析测试结果表明，在脂环族环氧/酸酐体系中加入0.5 wt%的DBU和IMD促进剂，固化后得到的环氧树脂的玻璃化转变温度（Tg）分别为 253 和 252℃，室温下的储能模量分别为2895和2850 MPa。利用差式扫描量热分析仪（DSC）研究了含有两种促进剂环氧树脂体系的固化动力学，并根据Kissinger和Ozawa法分别计算得到固化反应活化能。结果表明，相比含IMD的树脂体系，含DBU的树脂体系具有更低的固化反应活化能，说明DBU 具有更高的催化反应活性。通过热失重分析（TGA）表征两种环氧固化物的热稳定性，结果表明含DBU的环氧树脂固化物具有更好的热稳定性，且高温下具有更高的残碳量。吸湿性测试结果表明相比含IMD的环氧树脂，含DBU的环氧树脂表现出更高的亲水性。
其次，利用己醇胺对 GO 表面进行化学改性，以提高 GO 填料在脂环族环氧树脂/酸酐体系中的分散性和界面作用。改性 GO 的结构组成和形貌利用红外光谱（FTIR）、X 射线光电子能谱（XPS）、X 射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FESEM）、原子力显微镜（AFM）进行了表征。采用高速剪切搅拌和超声处理的方式将 GO 和改性 GO 分散在环氧树脂中。对于添加了 GO 和改性 GO 的脂环族环氧树脂/酸酐体系的固化行为、热机械性能、弯曲性能、断裂韧性和吸湿性进行了评价。结果表明，加入两种填料后，脂环族环氧树脂/酸酐体系固化物的储能模量和Tg都略有降低，但是环氧树脂的弯曲强度、弯曲模量、临界应力强度因子(KIC)和临界形变能释放速率（GIC）都得到了提高。此外，含改性 GO 的环氧树脂表现出较高的吸湿性，这可能是由于加入了改性 GO 降低了环氧树脂的交联密度。利用FESEM对环氧树脂试样的断裂面进行观察，并以此来推测环氧树脂纳米复合材料的增韧机理，结果发现增韧主要通过产生微裂纹、裂纹偏折及裂纹阻塞等机理。
最后，利用含有GO和改性GO的脂环族环氧/酸酐树脂体系为基体制备了CFREs。重点研究了树脂基体中加入两种填料对复合材料的层间断裂韧性的影响。根据 ASTM D 5528-01和ASTM D7905M–14标准对CFREs的I型和II型层间断裂韧性进行测试。相比含GO的CFREs，含改性GO的CFREs的I型层间断裂韧性增加了16%，不含预制裂纹的II型断裂韧性提高了29%，含预制裂纹的II型断裂韧性提高了9%。利用FESEM对II型断裂韧性测试后的试样进行观察，结果表明树脂基体中加入改性 GO 后可显著提高碳纤维和树脂基体之间的界面作用。