石墨烯-有機(jī)硅復(fù)合材料的制備及其力學(xué)性能研究.pdf

1、石墨烯是一種具有優(yōu)異性能的二維碳材料，在航空航天、電子工業(yè)、傳感器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。作為納米填料，石墨烯及其衍生物由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和物理性能已被用于改善各種聚合物的機(jī)械性能或賦予其功能特性，因而受到了廣泛的關(guān)注。
　　大量研究表明，石墨烯的加入能夠有效提高聚合物的力學(xué)性能。然而，過(guò)高含量的填料會(huì)引起材料增粘，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致填料分散程度失控產(chǎn)生大量團(tuán)聚，影響材料的實(shí)際應(yīng)用。另外，石墨烯構(gòu)筑取向薄膜材料也有大量報(bào)道，可以通過(guò)引入其

2、他材料使得復(fù)合膜的力學(xué)性能得到優(yōu)化。在石墨烯復(fù)合材料中，石墨烯與其他材料間界面作用是影響該類石墨烯基復(fù)合材料力學(xué)性能的主要因素，如何設(shè)計(jì)石墨烯的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)該類復(fù)合材料的控制制備等仍面臨一些挑戰(zhàn)：（1）由于較大的比表面積和π-π共軛作用，石墨烯片片之間相互堆疊，很難在基體中實(shí)現(xiàn)均勻的分散，極大限制了其優(yōu)異性能的發(fā)揮；（2）石墨烯/基體間的界面作用較差，極大削弱了兩者間的應(yīng)力傳遞效率；（3）石墨烯形態(tài)結(jié)構(gòu)（如取向石墨烯、三維石墨烯結(jié)

3、構(gòu)等）和片層間相互作用的調(diào)控及其對(duì)復(fù)合材料失效行為的影響仍不清楚。
　　針對(duì)上述問(wèn)題，本文將圍繞三類復(fù)合材料（硅橡膠/石墨烯帶復(fù)合材料、硅烷化二氧化硅/石墨烯復(fù)合薄膜、羧化殼聚糖/石墨烯復(fù)合薄膜），通過(guò)界面設(shè)計(jì)和片層間相互作用的調(diào)控，開(kāi)展復(fù)合材料控制制備及其力學(xué)性能的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)石墨烯片層間和石墨烯/基體間的有效應(yīng)力傳遞。相關(guān)研究工作簡(jiǎn)述如下：
　　1.采用縱向氧化切割碳納米管（CNTs）的方法獲得氧化石墨烯納米帶（GONR）

4、，通過(guò)溶液法制備硅橡膠基復(fù)合材料（H-t-PDMS/GONR）。該復(fù)合材料在低含量時(shí)，填料分散性和界面相互作用良好。拉伸測(cè)試表明，GONR與另外兩種填料 CNT、功能化碳納米管（f-CNT）相比增強(qiáng)效率更高。對(duì)三種一維碳納米填料以及它們的PDMS基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和形貌做了相關(guān)研究，并基于以上結(jié)果討論了可能存在的機(jī)理。
　　2.對(duì)納米二氧化硅進(jìn)行硅烷化處理（m-SiO2），與氧化石墨烯（GO）反應(yīng)，通過(guò)真空輔助抽濾法制備m-Si

5、O2@GO復(fù)合薄膜。低含量（5wt%和10wt%）時(shí)，m-SiO2顆粒在GO片層中分散性良好，含量增加到10wt%以上，出現(xiàn)了明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。拉伸測(cè)試表明，當(dāng)m-SiO2含量為10wt%時(shí)復(fù)合膜的力學(xué)性能最好，且經(jīng)HI還原后力學(xué)性能得到進(jìn)一步提高。最后，基于復(fù)合薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行分析，討論了m-SiO2顆粒實(shí)現(xiàn)較好增強(qiáng)效果的原因。
　　3.為進(jìn)一步增強(qiáng)石墨烯薄膜的力學(xué)性能，將羧甲基殼聚糖（OCS）引入GO，通過(guò)真空輔助抽濾法