文摘

在这项研究中,氧化石墨烯(去)采用纳米强化发展的高性能碳纤维增强塑料(CFRP)复合材料。最初,环氧树脂被纳入修改与不同重量比例从0.05到0.6 wt. %。然后单向碳纤维增强塑料复合材料用改性环氧树脂的绕组和压缩成型技术。优化GO-CFRP复合材料去内容为0.1 wt。%的抗拉强度2756 MPa,单丝界面剪切强度为29.06 MPa,分别是14.4%和12.5%高于相应的值的原始碳纤维增强塑料复合材料。直观地观察,碳纤维复合材料的断裂过程,采用数字图像相关系统。证实,适度的去可以提高碳纤维增强塑料复合材料的应力集中在变形过程中。此外,强化机制是通过分析调查的断裂表面改性环氧树脂和碳纤维增强塑料复合材料。结果表明,能使裂纹偏转或分叉以及石墨烯的环氧树脂关闭,导致协同改善机械和GO-modified碳纤维增强复合材料的界面性能。

1。介绍

纤维增强环氧树脂复合材料,如碳纤维(1,2),天然纤维(3- - - - - -5),和玻璃纤维6,7)复合材料,被广泛用于各种应用,如航空航天、体育部门,土木建筑,和汽车领域因其优越的强度重量,高的热稳定性,优异的结构设计,耐腐蚀。然而,对于碳纤维增强复合材料,碳纤维的表面性质如平滑,表面惰性,可怜的润湿性使他们纳入一个环氧矩阵困难,导致附着力差(8,9]。与此同时,由于脆性结构,固化环氧树脂很难抑制微裂隙的产生和扩张,导致抗冲击性差(10,11]。所有上述缺点明显限制的机械和界面性能的改善碳纤维增强塑料复合材料(碳纤维增强塑料)。因此,增强和增韧环氧树脂和碳纤维增强塑料复合材料吸引了太多的关注(12- - - - - -16]。各种材料如橡胶、嵌段共聚物、热塑性树脂、和其他杂项填充物采用碳纤维增强塑料复合材料的增韧环氧矩阵和改善界面粘附[17- - - - - -21]。

石墨烯,一个典型的二维碳纳米材料,吸引了广泛的关注,由于高电气和热导率的优点,高强度、高硬度、低的热膨胀系数,和大的比表面积22]。然而,石墨烯是很少用于改善碳纤维增强塑料复合材料的界面粘合,因为聚合的特点趋势,惰性表面,和加工性能差23]。相反,它的氧化,氧化石墨烯(去)是更好的选择。去的表面含有大量的含氧官能团如羧基、羰基、羟基和环氧树脂组24]。它能增强之间的交互去树脂矩阵,有效改善树脂的机械强度和韧性矩阵(25,26]。例如,Haddadi et al。27]nanoplate氧化石墨烯/环氧树脂复合材料减少了开发cerium-doped单宁酸处理方法,在机械性能被证明是有效地改善。此外,还有一个重要的增强和增韧效应对碳纤维增强环氧树脂复合材料(23,28,29日]。沃森et al。30.)准备GO-modified碳纤维增强塑料复合材料通过真空辅助树脂灌注过程,发现,碳纤维增强塑料复合材料的弯曲强度和模量0.5 wt。%内容增加了10%而与未改性的复合材料。Zhang et al。31日)采用amino-rich nanosheets去修改环氧树脂和碳纤维制造多尺度。做好准备的碳纤维增强塑料复合材料表现出优良的层间的行为。

从发表的研究,它可以验证,具有明显的加强和对环氧树脂和碳纤维增强塑料复合材料增韧效果。然而,仍然容易聚集在相对较高的加载(32]。几个策略可以解决这个问题,比如修改和减少通过使用有机化合物(27]。硅烷改性是一种很有前途的方法去改善复合材料的性质在不同改性方法(33,34]。烷氧基组的硅烷偶联剂反应的羟基可以和仍然官能团硅烷分子的表可以产生一种化学物质之间的桥梁和环氧树脂矩阵(33,34]。

在这方面,李et al。35]研究了力学性能silane-functionalized GO-epoxy纳米复合材料。两个不同的硅烷偶联剂包括终止3-aminopropyltriethoxy硅烷(apt)和3-glycidoxypropyltrimethoxy硅烷(GPTMS)。Wan et al。33]GPTMS用来用去,他们的研究结果显示,存储模量、玻璃化转变温度、热稳定性、抗拉和抗弯性能,提升的环氧树脂复合材料的断裂韧性。然而,silane-functionalized的制备过程有点繁琐。为了简化碳纤维增强塑料复合材料的制造工艺,我们目前的工作雇用了一个方便的和操作方法。值得注意的是,直接去功能化的GPTMS搅拌过程中在100°C。在以下GO-modified碳纤维增强复合材料的制备过程,溶剂不需要被删除,可以直接用于下一步,这是简单和环境友好。

这项工作的主要目的是准备硅烷功能化GO-modified环氧树脂和碳纤维增强塑料复合材料的一种方便的方法。抗拉强度的影响去内容和单丝碳纤维增强塑料复合材料的界面剪切强度进行了研究。此外,考虑到目前的研究报道主要集中在机械性能改进后的复合材料的引入,在断裂过程很少分析(36- - - - - -38]。在我们的研究中,修改后的碳纤维增强塑料复合材料的断裂过程直观地观察和分析了数字图像相关(DIC)系统。理解的加固机理,断裂表面的环氧树脂和碳纤维增强塑料复合材料由扫描电子显微镜(SEM)研究。

2。材料和实验

2.1。材料

楼,711人获得的环氧树脂从南通兴晨合成材料有限公司和天津京东化学复合材料有限公司,分别。石墨烯氧化物(去)(氧含量:46-49 wt。%,灰:≤0.1 wt. %)是由山西煤炭化学研究所、中国科学院根据修改后的悍马(Hummer)的方法。去粉及其解决方案的光学照片状态如图1。硅烷偶联剂3-glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTMS 97%)相对分子量为236.34,获得了从上海阿拉丁生化技术有限公司丙酮(AR级)从化学试剂国药控股有限公司二氨基二苯甲烷(DDM)作为固化剂从上海采购Sanaisi试剂有限公司2-ethyl-4-methylimidazole触媒是采购从Lianlongbohua(天津)医药化学有限公司所有的化学品都使用前未经纯化。T800碳纤维(12 K)平均直径5μm是山西钢碳材料有限公司T800碳纤维指数如下:抗拉强度5.5的绩点,拉伸模量294 GPa,伸长1.9%,密度1.81克/厘米³。

2.2。GO-Reinforced环氧树脂的制备标本

GO被声波降解法首先丙酮溶液中分散了1小时,然后与硅烷偶联剂混合搅拌的GPTMS 5小时100°C (1000 r / min)。随后,去和环氧树脂的混合物(丙酮)是由声波降解法混合搅拌2小时,4小时100°C (800 r / min)。在环氧树脂不同的掺杂量从0.05到0.6 wt. %。从GO-epoxy多余的丙酮混合物是通过连续搅拌加热套在130°C。之后,固化剂和加速器被添加到环氧树脂和固化剂的比例,环氧树脂,和加速器25岁:100:1 ~ 1.5。真空混合搅拌15分钟,去除泡沫,持续15分钟。最后,混合物被注入模子钢在逐步增加固化温度从90°C (1 h)到120°C (2 h)和150°C (3 h)获取得到的改性环氧树脂。

2.3。制备GO-Modified碳纤维增强塑料复合材料

上述改性环氧树脂和不同的分数被用来制造碳纤维增强塑料复合材料。示意图显示在图2,T800碳纤维辊和共8层的单向碳纤维板准备通过曲折的过程。0.5 MPa的压力是不间断地应用在固化过程中所需的碳纤维增强塑料复合材料。

2.4。描述

傅里叶变换红外光谱(ir、顶点80 V,力量有限公司美国)下进行辐射从500到4000厘米¹评估表面官能团。JSM7001F扫描电子显微镜(SEM)是用于描述的形态,断裂表面的改性环氧树脂和碳纤维增强塑料复合材料。GO-modified环氧树脂的拉伸和弯曲性能评估根据GB / T 2567 - 2008,和测试速度是2毫米/分钟。拉伸试样的尺寸是200毫米×10毫米×4毫米,弯曲试样尺寸是95 mm×15毫米×4毫米。碳纤维增强塑料复合材料的拉伸性能评估根据GB / T 3354 - 2014标准。碳纤维增强塑料带拉伸试验试样的大小是220毫米×12毫米×1.2毫米,和拉伸率为2毫米/分钟。平均5个标本用于每个机械测试得到最终结果。三维应变试验进行了数字图像相关(DIC)系统(图3(一个))。

估计仿射单丝界面剪切强度的复合界面评价设备(HM410)如图3 (b)和仿射值按下列方程计算(23]: 在哪里最大负载,是碳纤维的单丝直径,是树脂的嵌入长度滴。25有效值是平均获得仿射的最终值。

3所示。结果与讨论

3.1。的形态和化学成分

去观察扫描电子显微镜(SEM)的形态。从图可以看出4(一)的二维特性和片状结构是与众不同的。取得时的高质量和良好的可分散性和非常薄的石墨层的叠加。从SEM图像放大图所示4 (b),粗糙表面丰富的褶皱结构进一步披露。这些粗糙的皱纹在图4 (b)源于表面含氧功能去(27]。这些褶皱结构保持稳定的存在可以通过降低表面能,这被认为是一个优秀的界面结合聚合物网络(39]。

表面官能团存在被红外光谱谱计算,如图5。可以看到,在3400厘米的特征峰¹,这是由于羟基的伸缩振动。此外,峰值为1730厘米¹,1620厘米¹,1388厘米¹,1053厘米¹对应于C = O的伸缩振动,C = C,碳碳,和切断。值得注意的是,羟基和羰基的存在振动的红外光谱谱峰去表明,含氧官能团(羟基和羧基)成功地引入到表面,这有利于在环氧树脂的分散。

3.2。GO-Modified环氧树脂样品的力学性能

去公司的影响环氧树脂的力学性能被拉伸和弯曲测试评估。结果如图所示6。观察图6(一),试样的抗拉强度和伸长率明显改善环氧树脂的含量增加。没有去,环氧树脂的拉伸强度是81.2 MPa,断裂伸长率5.2%。环氧树脂添加进去后,力学性能表现出上升趋势。在0.1 wt的内容。%,抗拉强度增加到85.6 MPa和延伸率增加到6.9%,这就增加了5.4%和32.7%,分别比纯环氧树脂。此外,环氧树脂的拉伸模量与0.1 wt。%的内容是增加了7.7%。改善可以归因于2 d sp²碳基结构和内在高机械性能[27]。尽管如此,随着深入内容的增加,抗拉强度和延伸率不断降低,拉伸模量逐渐增加。特别是,当含量达到0.6 wt。%,环氧树脂试样的拉伸性能低于未改性的树脂。属性恶化是由于分散不匀的过剩的环氧树脂。凝聚的环氧树脂会造成应力集中。它引起的初始生成和传播微裂隙试样,影响环氧树脂的力学性能29日]。

环氧树脂的弯曲强度和弯曲模量标本three-point-loading条件下进行评估。结果见图6 (b)揭示了抗拉强度相同的趋势。没有的,原始的环氧树脂试样的抗弯强度为125.2 MPa。当含量达到0.1 wt。%,弯曲强度增加到139.4 MPa,环氧树脂与原始相比增加了11.3%。此外,环氧树脂的弯曲模量与0.1 wt。%的内容是增加了4.8%。然而,由于内容更进一步增加,弯曲强度不断降低,这与之前的报道一致。沈et al。40)发现去的集聚效应明显的数量超过0.1 wt. %。它将影响环氧树脂的增韧改性。因此,当浓度为0.05 ~ 0.1 wt。%,复合材料的综合性能优越。

3.3。GO-Modified碳纤维增强复合材料的拉伸性能

通过研究GO-modified环氧树脂的机械性能,结果表明,环氧树脂的力学性能更好的去内容时0.05 wt。%和0.1 wt. %。因此,GO-modified碳纤维增强塑料复合材料去内容为0.05 wt。wt %和0.1。%是准备。与此同时,未改性碳纤维增强塑料复合准备作为对比。抗拉强度的变化与增加的内容在碳纤维增强塑料复合材料和应力与应变曲线提供了数据7(一)和7 (b),分别。观察,将走在拉伸性能具有积极的影响相比,整洁的碳纤维增强塑料复合材料。碳纤维增强塑料复合材料的抗拉强度没有去修改为2410 MPa,同时去除了环氧树脂后,碳纤维增强塑料复合材料的抗拉特性显示了上升趋势。在0.05 wt的内容。wt %和0.1。%,抗拉强度增加到2540 MPa和2756 MPa,这就增加了5.4%和32.7%,分别比未改性碳纤维增强塑料复合材料。结果表明,较低的去可以有效地提高碳纤维增强塑料复合材料的拉伸性能。它属性来大量的羟基和羧基活性基团的表面。活性官能团不仅可以使去更均匀地分散在树脂矩阵,但也与环氧树脂生产一个紧凑的界面交互关联。也有利于形成良好的掺碳纤维和环氧树脂之间的界面,有效阻止裂纹扩展和改善界面性能。

进一步研究碳纤维增强塑料复合材料的断裂过程,数字图像相关系统用于监控拉伸试验过程。图8显示分布的纵向应变和位移的碳纤维增强塑料复合材料在拉伸过程中。可以观察到明显的纵向裂缝在初始阶段的断裂表面的碳纤维增强塑料复合材料没有走。纵向应变和位移的分布不是均匀的,这意味着明显的应力集中。当的内容为0.05 wt。%,应力集中现象仍然是观察到的三维应变图。然而,应力集中现象明显减少较未改性碳纤维增强塑料复合材料。当0.1 wt。%添加,没有观察到纵向裂缝初始阶段的断裂。纵向应变和位移分布均匀,表明没有明显的应力集中。结果表明,添加可以提高碳纤维增强塑料复合材料的应力集中。 Moreover, as the stress concentration always occurs in the region where the sample is prone to fracture, the addition of GO can effectively improve the tensile properties of the CFRP composites.

3.4。GO-Modified碳纤维增强复合材料的界面特性

碳纤维增强塑料复合材料的力学性能也取决于纤维和环氧树脂的界面交互矩阵。探索的影响继续纤维/环氧树脂界面的属性,microdebonding进行测试。碳纤维增强塑料复合材料的仿射的结果在图提供了增加的内容9。预计,仿射后的碳纤维增强塑料复合材料增强的环氧树脂。特别是,碳纤维增强塑料复合0.1 wt。%浓度体现最高的仿射去。不去,仿碳纤维增强塑料复合为25.83 MPa。而在0.05 wt。wt %和0.1。%的,仿射增加到26.8 MPa和29.06 MPa,这就增加了3.8%和12.5%,分别比未改性碳纤维增强塑料复合材料。归功于丰富的含氧的官能团在去施加极性和良好的分散以及有效的去树脂基体之间的结合。同时,极性基团的表面也可以反应与活动组织在碳纤维的表面。因此,良好的界面粘附与环氧树脂进入一个“连锁效应”。 Therefore, the addition of GO not only elevates the mechanical properties but also effectively improves the interface bonding of the CFRP composites.

3.5。GO-Modified环氧树脂和碳纤维增强塑料复合材料的微观结构

进一步调查的增强机制之外,环氧树脂的断裂表面标本由SEM观察,如图10。可以看到原始的环氧树脂的表面裂缝平滑,表明裂纹扩展阻力低。行为与脆性断裂模式是一致的。相比之下,在改性环氧树脂为0.05 wt。%增加,断裂部分变得相对粗裂缝显著增加,这说明材料的断裂模式的演变从脆性断裂韧性断裂,如图10 (b)。进一步提高的内容去0.1 wt。%,可以观察到裂纹方向变成了障碍和裂纹的厚度不均匀。此外,断层表面呈现层重叠,部分用红色标注在图所示10 (d)。属性到石墨烯的高强度和高弹性模量,从而导致裂纹偏转或分叉的环氧树脂裂纹遇到时坚持石墨烯石墨烯。结果,整个失败路径延长和断裂裂纹的传播面积和距离增加。此外,大量的含氧的官能团的表面去做去环氧树脂粘合在一起,导致化学成键。去和环氧树脂之间的界面粘结强,可以消耗更多的外部加载能量,进一步实现的增强和增韧环氧树脂(41]。

碳纤维增强塑料复合材料的断裂表面图像呈现在图11。它可以观察到从数据(11日)和11 (d)碳纤维增强塑料复合材料的损伤主要发生在纤维和树脂基体之间的界面。损伤后的纤维表面相对光滑,树脂是观察到脱落的纤维表面涂树脂在纤维表面,表明弱界面树脂和纤维之间的相互作用。而在0.05 wt。%改性复合材料,它可以观察到(数字11 (b)和11 (e)),有树脂涂层和粘附在纤维表面,但一些树脂仍脱离纤维表面。此外,树脂碳纤维之间包含更多的褶皱形态比未改性碳纤维增强塑料复合材料,从而导致纤维断裂的时间路径在界面损伤样本和吸收更多的能量。在碳纤维增强塑料复合材料的情况下为0.1 wt。%改性,纤维和树脂之间的附着力是紧张,没有明显的观察到树脂脱落,如图11 (c)和11 (f)。这是一个明确的迹象增强纤维和树脂之间的界面相互作用矩阵。

此外,SEM照片表明,当内容是0.1 wt。%,界面交互和粘结纤维和环氧树脂之间的有利条件。它将进一步加强装运从树脂转移到纤维,减少微裂隙的增长率。因此,GO-modified碳纤维增强塑料复合材料显示显著改善机械强度相比原始的碳纤维增强塑料复合材料(42]。这个结果与之前的研究结果一致的拉伸和碳纤维增强塑料复合材料的界面性能。

4所示。结论

总之,一个简单而有效的方法准备GO-modified环氧树脂和碳纤维增强塑料复合材料已经被探索。的影响去机械上的内容和界面特性进行了研究。以下结果来自实验结果:(我)0.1 wt的改性环氧树脂。%去除了礼物最好的机械性能。拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率的环氧树脂提高5.4%,7.7%,和32.7%,分别(2)与原始的碳纤维增强塑料复合材料相比,抗拉强度和单丝改性碳纤维增强塑料复合材料的界面剪切强度为0.1 wt。%增加了14.4%和12.5%,分别(3)突出改善机械和界面性质是由于表面的羟基和羧基活性基团,这不仅可以提高在树脂基体的分散性也与环氧树脂生产协会一个紧凑的接口(iv)数字图像相关应变实验表明添加去可以显著提高碳纤维增强塑料复合材料的应力集中,提高拉伸性能。SEM分析确认增加会使裂纹偏转或分叉沿着坚持石墨烯环氧树脂矩阵

热、动态热机械的性能和耐低温的GO-modified碳纤维增强塑料复合材料将在未来调查工作,确保稳定可靠的应用GO-modified碳纤维增强塑料复合材料。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。进一步的数据或信息可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的大科学技术山西省特殊项目(批准号20181102025;20181102024;20181102022),山西省基础研究项目(批准号20210302124315),和创新基金项目的煤炭化学研究所、中国科学院(批准号scjc - xcl - 2022 - 11)。