碳纖維復(fù)合材料因輕質(zhì)高強、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計性強等一系列特性，在航空航天、汽車、船舶、能源、建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用與日俱增。然而，由于碳纖維表面光滑、惰性大、具有化學(xué)活性的官能團少，導(dǎo)致碳纖維與基體樹脂之間的界面粘結(jié)強度低，界面存在較多缺陷，往往成為復(fù)合材料的薄弱環(huán)節(jié)。中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所所屬先進制造所復(fù)合材料智能制造與裝備團隊在石墨烯強韌化碳纖維復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)方面取得了新進展。
在前期研究工作中發(fā)現(xiàn)，石墨烯納米粒子接枝到碳纖維表面可以有效提高碳纖維復(fù)合材料的界面性能(ACS Applied Materials & Interfaces, 2012,4, 1543)。為了實現(xiàn)石墨烯改性碳纖維的規(guī)?；肪€，采用石墨烯改性上漿劑對碳纖維表面進行改性，以提高碳纖維復(fù)合材料的界面性能。研究人員通過對石墨烯表面改性，制備出在水溶液和上漿劑中均能穩(wěn)定分散的石墨烯，通過對石墨烯尺寸的分級調(diào)控，制備出了表面改性的石墨烯(如圖1)，可以穩(wěn)定分散于不同的上漿劑體系中，成功實現(xiàn)了石墨烯在上漿劑中的穩(wěn)定分散技術(shù)。通過相反轉(zhuǎn)法和自乳化法成功研發(fā)出兩種具有良好穩(wěn)定性的石墨烯改性上漿劑(如圖2)，并且有效提升了碳纖維的復(fù)合材料的界面粘結(jié)性能，其界面剪切強度(IFSS)可達92.3 MPa(如圖3)，而且碳纖維的上漿率低于1.5%，飽和吸水率低于2%。采用石墨烯強韌化碳纖維，優(yōu)化加工成型工藝條件，得到綜合性能優(yōu)異的石墨烯強韌化碳纖維復(fù)合材料，復(fù)合材料層間剪切強度可達73.5 MPa;I型層間斷裂韌性提高幅度為33.3%。該研發(fā)成果已申請發(fā)明專利(CN 201610296461.7)。
以上工作得到了寧波市石墨烯重大科技專項(2014S10004)的大力支持。
圖1 分級改性后的石墨烯
圖2 石墨烯改性上漿劑
圖3 石墨烯含量對碳纖維復(fù)合材料IFSS性能的影響
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