石墨烯纳米复合材料的制备与表征

论文摘要

纳米复合材料兼具多样的结构特征和优异的功能属性,是21世纪最具发展前景的新材料之一,在航空、航天、国防、交通、体育、电子等领域具有广阔的应用前景,它对国民经济及国防科技的发展有着重要的作用。尤其是以聚合物为基体的纳米复合材料,由于纳米颗粒所独有的表面效应、界面效应、小尺寸效应及量子尺寸效应,结合聚合物的低密度、耐腐蚀、易加工等优异性能,可根据使用要求设计出具有优异承载能力和某些特殊功能的新型材料。对实现武器装备的高功率、高效率、高可靠性具有重要意义,代表着结构材料未来的发展方向。由于纳米材料的尺寸效应,使得其在聚合物基体中难以均匀分散,易发生团聚,这在很大程度上影响了复合材料性能。尽管目前已经报道了如表面处理、添加分散剂、改性基体等多种方法来解决纳米材料的团聚问题,但这些方法只是在直接混合方法的基础上进行改进,不能彻底解决分散问题。为此,科学家提出首先将纳米材料均匀分散处理后制备成为薄膜等形式（即纳米纸）,再以此制备纳米复合材料,该方法能够成功解决纳米材料团聚问题。石墨烯是目前人工制得的、世界上已知的最薄的物质,它具有优异的电学、力学、热学性能,成为材料科学家的研究热点。因此本文首先通过氧化还原法制备少层石墨烯,将其与碳纳米纤维通过控制不同比例混合制备纳米纸。并分别以CF300/5428双马来酰亚胺树脂预浸料和环氧树脂为基体制备出两种纳米复合材料,对制备的石墨烯、纳米纸及其复合材料进行了全面的理化性能表征。主要工作有:（1）在Hummers氧化方法基础上,增加预氧化步骤以改善石墨的氧化程度,并通过化学还原和超声剥离方法成功制备了少层石墨烯;（2）以制得的石墨烯和碳纳米纤维按照不同比例混合,通过高压成型和物理沉积方法制备得到八种不同组分的纳米纸。并表征了纳米纸的微观形貌及其电学和电磁波吸收特性,结果显示通过添加分散剂和超声分散等处理,纳米纸中的纳米材料分散均匀,无团聚现象。单层纳米纸的电学和电磁波吸收特性均非常优异,其中电阻率低于20×10-2Ωcm,而电磁波吸收最高达25dB; （3）以纳米纸为增强相,以CF300/5428双马来酰亚胺树脂预浸料为基体,通过真空袋成型方法制备得到纳米纸复合材料。并分别采用扫描电镜、万能材料试验机、热失重仪、动态热机械性能仪,四点探针、矢量网络分析仪等仪器表征了复合材料的微观形貌、力学、电学、电磁吸波以及热稳定性等性能。结果显示碳纤维纳米纸复合材料具有良好的热稳定性,在常温及低于240℃的高温下,具有非常好的力学性能,同时其电学和电磁波吸收性能也都非常优异。（4）通过模压法制备了纳米纸/环氧树脂纳米复合材料,表征结果显示纳米纸的添加降低了环氧树脂的模量和强度,但是极大地提高了复合材料的电磁波吸收能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 石墨烯的研究背景和意义
• 1.2.2 碳纳米纤维的研究背景和意义
• 1.2.3 纳米复合材料研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 实验材料与测试方法
• 2.1 本文研究方案
• 2.2 主要实验原料及设备仪器
• 2.2.1 主要实验原料和试剂
• 2.2.3 主要实验设备与仪器
• 2.3 主要测试方法
• 2.3.1 扫描电子显微镜
• 2.3.2 透射电子显微镜、高分辨透射电子显微镜
• 2.3.3 X 射线衍射测试
• 2.3.4 热失重分析测试
• 2.3.5 静力学性能测试
• 2.3.6 动态热机械性能测试
• 2.3.7 电阻率的测试
• 2.3.8 电磁波的吸收性能测试
• 第3章 石墨烯的制备方法及性能表征
• 3.1 引言
• 3.2 氧化还原法制备石墨烯
• 3.3 石墨烯的性能表征和分析
• 3.3.1 石墨烯的微观形貌表征
• 3.3.2 石墨烯的X 射线衍射分析
• 3.3.3 石墨烯的热稳定性测试分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 石墨烯/碳纳米纤维纳米纸的研制
• 4.1 引言
• 4.2 石墨烯/碳纳米纤维纳米纸的制备
• 4.3 石墨烯/碳纳米纤维纳米纸的性能测试和分析
• 4.3.1 纳米纸的微观形貌表征
• 4.3.2 纳米纸的电学性能分析
• 4.3.3 纳米纸的电磁波吸收性能分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 纳米纸纤维增强复合材料的性能表征
• 5.1 引言
• 5.2 纳米纸纤维增强复合材料的制备
• 5.3 纳米纸纤维增强复合材料的性能测试和分析
• 5.3.1 纳米纸纤维增强复合材料的微观形貌表征
• 5.3.2 纳米纸纤维增强复合材料的静力学性能分析
• 5.3.3 纳米纸纤维增强复合材料的热稳定性分析
• 5.3.4 纳米纸纤维增强复合材料的动态热机械性能分析
• 5.3.5 纳米纸纤维增强复合材料的电学性能分析
• 5.3.6 纳米纸纤维增强复合材料的电磁性能分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 纳米纸/环氧树脂复合材料的性能表征
• 6.1 引言
• 6.2 纳米纸/环氧树脂复合材料的制备
• 6.3 纳米纸/环氧树脂复合材料体密度的性能测试和分析
• 6.3.1 纳米纸/环氧树脂复合材料的微观形貌表征
• 6.3.2 纳米纸/环氧树脂复合材料的静力学性能分析
• 6.3.3 纳米纸/环氧树脂复合材料的热稳定性分析
• 6.3.4 纳米纸/环氧树脂复合材料的动态热机械性能分析
• 6.3.5 纳米纸/环氧树脂复合材料的电磁性能分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢