氧化石墨烯改性碳/玻混杂纤维复合材料的制备与性能研究

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玻纤增强复合材料因具有较高的物理机械性能、耐高温和制造成本低等优点而广泛应用于大型风机叶片壳体结构中,但由于其模量和强度较低,限制了其在大型风机叶片中的进一步应用。具有更高比强度、比模量和低密度的碳纤维增强复合材料因成本较高而被限制在风机叶片中的应用。因此,碳/玻混杂纤维增强复合材料(Hybrid fiber reinforced composites,HFRP)的开发与应用可实现两种纤维材料性能的优势互补,提高了材料的强度、刚度和柔韧性,同时兼备轻质和成本低的优点。同时,由于纤维和树脂界面结合强度低,导致碳/玻混杂纤维复合材料层间及界面结合性能低。在面外方向承载时,纤维/基体易发生脱粘和分层,从而在材料内部产生裂纹,不利于载荷的分散传递,使材料的物理机械性能降低。为了进一步提高碳/玻混杂纤维复合材料的界面性能,有必要研究纤维/基体界面改性机制,有效提高材料的力学性能。本课题以双轴向碳/玻混杂纤维布为增强体,经氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)改性的环氧树脂为基体,基于真空辅助树脂传递模塑成型工艺制备试件。首先,测试石墨烯改性复合材料试件的拉伸和弯曲性能,运用SEM、FT-IR和TGA等方法表征复合材料GO纳米粒子界面改性机理。分析GO填充量对复合材料纤维/基体界面结合力的影响规律。基于测得的改性后复合材料的力学性能,得到界面改性最优的GO质量分数和优化工艺;其次,基于改性试件的导电性能和导热性能,测试经不同GO质量分数改性碳/玻混杂纤维复合材料静态导热系数和最佳GO填充量下碳/玻混杂纤维增强复合材料在不同载荷、温度下的电阻变化,获得GO填充量对复合材料导热系数的影响规律和改性复合材料的电阻与温度、形变之间的关系;最后,基于最佳GO质量分数,制备可用于风机叶片承载的矩形梁构件,测试试件的弯曲性能,并得到不同尺寸矩形梁与最大承力的规律。本课题研究成果可为环氧树脂的氧化石墨烯纳米改性提供工艺参考,为探究复合材料界面改性机理提供方法支持和科学依据,对碳/玻混杂纤维增强复合材料导电、导热性的研究提供有益的借鉴,为开发出具有更高力学性能兼具功能性的风机叶片用复合材料提供理论基础和技术储备。
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