碳纤维增强氧化石墨烯改性溴化环氧-氰酸酯共混树脂基复合材料的力学性能研究

• 作 者: 吴超
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院大学
• 发表日期: 2013年期
• 关键词: 氰酸酯 溴化环氧树脂 氧化石墨烯 碳纤维 复合材料 低温力学性能

氰酸酯树脂是一种高性能复合材料树脂基体，被广泛应用于航空航天、计算机等领域，其性能综合了环氧树脂良好的工艺性和双马来酰亚胺等耐热性，而且具有低介电常数、极小的介电损耗角正切值、低吸湿率和优良的粘接性能。氰酸酯树脂虽然具有优良的反应性能，其固化物综合性能优异，但成本较高。同时由于其结构中有大量的芳香环，且分子中的三嗪环结构高度对称、结晶度高及交联密度大，使得固化物体系的脆性较大，韧性较差往往不能满足工程要求。大大限制了其作为高性能复合材料基体的使用。　　
本论文围绕氰酸酯树脂开展工作。首先以溴化环氧树脂改性氰酸酯树脂固化体系，改善共固化产物在室温和低温下的韧性，并采用差示扫描量热分析(DSC)、热重分析(TGA)、傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)、氧指数测试、吸水率测试、冷热循环测试、扫描电子显微镜(SEM)对共固化产物进行了表征与分析，初步探讨了溴化环氧树脂改性氰酸酯树脂的机理。研究表明，溴化环氧树脂的加入能够有效改善氰酸酯树脂体系在室温和低温下的韧性，但不会较大程度地改变体系原有的吸水率、耐热性、阻燃性等。其中，当溴化环氧树脂与氰酸酯树脂的质量百分比为1∶4时，体系在室温和低温下的冲击强度最佳。通过红外光谱和冲击断面微观形貌分析，发现溴化环氧树脂的加入使得体系中刚性结构减少，脆性降低，从而在冲击过程中能够吸收更多的能量，断面粗糙度增加。　　
在以上工作基础上选定质量百分比为1∶4的溴化环氧树脂/氰酸酯树脂体系，以氧化石墨烯作为改性填料，利用热压法制各出碳纤维增强树脂基复合材料，并研究了室温和低温下复合材料的力学性能。结果表明，氧化石墨烯的加入能够有效提高复合材料在室温和低温下的力学性能（拉伸强度、拉伸模量和弯曲强度），且低温下的改性效果更加明显。当氧化石墨烯的加入量为树脂基体的0.2wt％时，改性效果最佳。通过透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)分别对氧化石墨烯在树脂基体中的分散情况以及树脂基体与碳纤维的界面结合情况进行了分析。分析发现，氧化石墨烯与树脂基体的界面结合较好，且低温下的界面结合更好，从而有助于应力在树脂基体与氧化石墨烯之间进行传递。这是因为氧化石墨烯表面存在的羟基、羧基、羰基等含氧官能团能够与树脂发生反应，同时由于氧化石墨烯的褶皱形貌更增加了其与树脂基体的界面结合。我们还发现，氧化石墨烯的加入能够提高树脂基体与碳纤维的界面结合，低温下效果更明显。这同样是因为碳纤维与氧化石墨烯表面有羟基、羧基、羰基等含氧官能团之间能够发生反应，加强了树脂基体与碳纤维的界面结合程度，从而有助于应力在树脂基体与纤维之间应力传递，从而提高复合材料的力学性能。