氧化石墨烯增强碳纤维织物的力学性能及电磁屏蔽性能的研究

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随着电子科技时代的高速发展,与电磁辐射相关现象引发的人体健康和环境污染等问题受到人们的关注,为此研发相关电磁屏蔽材料至关重要。碳纤维材料作为屏蔽材料与传统的金属屏蔽材料相比有更轻的重量和较强的力学性能。以碳纤维为主要原料、环氧树脂为涂层的环氧树脂/碳纤维织物被广泛于航空航天、汽车车身、电子传感器和能源设备等领域。但环氧树脂/碳纤维的电磁屏蔽效果往往不佳,需要进一步增强:一、在碳纤维表面喷涂或化学镀导电金属等材料,二、对表层的环氧树脂进行改性增强再与碳纤维复合。这两种方法虽然效果明显,但实际生产中存在喷涂/镀膜困难、耗材量大、环氧树脂不易涂覆,并且很难对大量已经涂覆环氧树脂的碳纤维半成品、预制品等进行二次加工等问题。本论文采用跨尺度的设计方案,运用湿转移法将氧化石墨烯负载于环氧树脂/碳纤维表面,制备氧化石墨烯/环氧树脂/碳纤维复合织物,探索氧化石墨烯浓度、表面官能团、水浴温度、加热时间等因素对复合织物力学性能和电磁屏蔽性能的影响规律及相关机制。该方法操作简单,便于规模化生产。主要研究工作包括:(1)采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯溶胶,并通过湿转移法使氧化石墨烯与环氧树脂/碳纤维复合制备复合织物。采用扫描电子显微镜、原子力显微镜、傅里叶红外变换光谱、X射线衍射分析等检测手段对氧化石墨烯、复合织物的结构及复合状态进行表征。(2)研究复合工艺中水浴温度、加热时间及氧化石墨烯溶胶浓度等关键参数对复合织物的结构、力学性能及电磁屏蔽性能的影响。分别对氧化石墨烯复合前后织物的显微结构、材料的拉伸强度、拉伸弹性模量、断裂伸长率、层间剪切强度、耐折叠性、电导率和电磁屏蔽效能等进行表征。实验结果表明使用2 mg/m L氧化石墨烯溶胶在60℃水浴下加热2 h制备的复合织物表现最佳,复合后织物的拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率分别提高了59.2%、16%和63%,耐折叠强度提高了58.1%,电导率提高了14.7%,总屏蔽效能、吸收损耗和反射损耗分别提高了32.4%、29.6%和39.1%。(3)在第(2)部分工作的基础上,研究氧化石墨烯的表面官能团对织物复合效果、复合织物力学及电磁屏蔽性能的影响:分别通过原位热还原、表面羧基化改性获得还原氧化石墨烯和羧基化氧化石墨烯,并制备了还原氧化石墨烯/环氧树脂/碳纤维和羧基化氧化石墨烯/环氧树脂/碳纤维。与原始样品对比,还原氧化石墨烯/环氧树脂/碳纤维的拉伸强度、拉伸弹性模量和断裂伸长率分别提高了65.4%、55.9%和11.8%,电导率提高了28%;使用羧基化氧化石墨烯/环氧树脂/碳纤维的拉伸强度、拉伸弹性模量和断裂伸长率分别提高了60.8%、16%和62.4%,电导率提高了5.4%。
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