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摘要本文重点研究了多层氧化石墨烯（MGO）对于环氧树脂机械性能的影响。通过原位聚合法制备了不同 MGO 含量（0.5、1、2、3wt%）的 MGO/环氧树脂基复合材料。分别利用 X 射线衍射仪和场发射扫描电镜对 MGO 在环氧树脂基体中的分散和剥离状态进行了分析，结果表明MGO在基体中被均匀分散和良好剥离，当MGO的含量达到 3wt%时，MGO出现了少量堆垛和团聚。利用傅里叶变换红外光谱仪检测到 MGO中含有羟基(-OH)和羧基(C=O)官能团，这些功能团可以促进 MGO与基体之间的化学作用。采用纳米压痕法对MGO/环氧树脂复合材料的机械性能进行测量分析，结果表明随着 MGO含量的增加（0.5、1、2、3wt%），MGO/环氧树脂复合材料的硬度和弹性模量都逐渐提高，当 MGO含量为 3wt%，硬度达到最大 0.39GPa，比纯环氧树脂高 62.50%，弹性模量达到最大5.21GPa，比纯环氧树脂高 20.07%。 28167
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毕业论文关键词 多层氧化石墨烯 环氧树脂 复合材料 纳米压痕 机械性能
Title Studies on the mechanical properties of graphene oxide composites
Abstract This paper focuses on graphene oxide epoxy composites’mechanical properties. Different multilayer graphene oxide（MGO）content (0.5,1,2,3wt%) in epoxy composites were prepared by in situ polymerization .We used X-ray diffraction and field emission scanning electron microscope to analyze the dispersion and exfoliation of MGO in epoxy. The results showed that MGO is uniformly dispersed and well stripped in the matrix, when the content of MGO arrived at 3wt%, MGO emerged a small stacking and agglomeration. And then we used Fourier transform infrared spectrometer to detect MGO,and the result showed that it contains hydroxyl(-OH) and carboxyl (C=O) groups ,which can promote chemical interaction between MGO and matrix.The mechanical properties of MGO/epoxy composites were tested by nanoindentation method,, the results showed that with the increase of MGO content, hardness and elastic modulus of MGO/epoxy composites are gradually increased, when MGO content climbed to 3wt%, hardness maximum is 0.39GPa, increased 62.50% than pure epoxy, elastic modulus maximum is 5.21GPa, increased 20.07% than the pure epoxy. Keywords Multilayer graphene oxide Epoxy resin Composite materials Nanoindentation Mechanical property
目次
1引言1
11环氧树脂1
12石墨烯材料概述2
13纳米复合材料6
14纳米压痕法8
15本实验的研究内容10
2实验11
21主要实验原料11
22MGO/DGEBA/EMI-2，4的共混物的制备11
23MGO/环氧树脂复合材料的制备11
24表征与分析11
3结果与讨论13
31MGO形貌特征的观察与分析13
32MGO/环氧树脂复合材料的机械性能测定16
结论23
致谢24
参考文献25
1 引言 石墨烯性能优异，一直是广大学者研究的热点，单层石墨烯更是开拓了二文材料，石墨烯作为已知的最硬材料添加到聚合物基体中无疑可以大幅度提升复合材料的性能[1]。但是，高强度也使得石墨烯结构十分稳定，而且纳米颗粒本就容易团聚，因此它难溶于水以及其他常见的有机溶剂，为了拓展石墨烯的应用，必须优化石墨烯的结构，通常的做法是有目的的加入一些官能团[2]。基于此目的，氧化石墨烯进入人们的视线[3]。环氧树脂作为工业领域重要的基础材料，在结构材料涂料等各个方面都有重要应用，航空航天等高科技工业领域中也扮演着越来越重要的角色，但纯环氧树脂耐热性差、脆性大等，在高性能领域应用始终有一定局限性[4]。将氧化石墨烯添加入环氧树脂基材料中得到的高性能复合材料无疑有望解决这一难题。 1.1 环氧树脂 1.1.1 环氧树脂 在日常生活中，环氧树脂(EP)是中较为常见的树脂之一，而且也常被当做复合材料基体使用[5]。其结构通式为： 我们平常看见的环氧树脂大多处于粘稠液体的状态，为了应用必须与固化剂反应才行[5]。顾名思义，环氧树脂与固化剂反应之后就会凝固，同时性质也会有所改变，环氧树脂分子间互相连接形成三文网状结构，这种结构会表现出一些之前所没有的优异性能，如不溶不熔等[6]。 环氧树脂的研究在二十世纪初左右有两个重要的发现[7]。一是德国科学家 Lindman 在1891 年生成了树脂状的化合物，二是俄国化学家 Prileschajew 将过氧化苯甲醚和烯烃发生反应生成了环氧化合物，他们两个都没有认识到这两个反应的价值，但是这两个反应一直到现在都是环氧树脂最重要的两个反应[7]。后来环氧树脂的各项专利更是被外国几乎全部申请。我国环氧树脂的研究进行的比较晚，不过经过长达 60 年的发展也形成了自己的体系，取得了不俗的成绩，相信不久的将来能赶上国外的发展水平。 环氧树脂可以分为五大类： （1）缩水甘油醚类环氧树脂。日常生活中见到的树脂几乎都属于这一类。常见的有双酚A 类环氧树脂。因为醚键的存在使得这一类的树脂药品性能相对好很多。 （2）缩水甘油酯类环氧树脂。这一类环氧树脂分子的特点是含有多个缩水甘油酯基基团。这类树脂粘度与活性都很不错，但是不耐水[8]。 （3）缩水甘油胺类环氧树脂。这一类环氧树脂分子的特点是含有多个缩水甘油胺基基团。因为氨基和环氧基的存在使其本身就有一定的固化性，所以应用周期不长。 (4)脂肪族环氧树脂。这一类环氧树脂的分子是由单纯的脂肪链组成。此类环氧树脂粘结好，可以承受较高的冲击，但是活性低，而且固化时收缩明显。 (5)脂环族环氧树脂。这一类环氧树脂分子的特点是含有两个脂环环氧基团。此类环氧树脂耐热不耐冲击。 除了上述以外还有别的类型的环氧树脂，有多种类型的官能团[10]。 1.1.3 环氧树脂的用途 环氧树脂各方面性能都不错，主要包括: (1)力学性能好。环氧树脂固化后形成三文网络状结构，受力均匀，不易拆开，因此赋予了环氧树脂优良的力学性能[11]。 (2)优异的粘结性能。丰富的官能团使得环氧树脂粘性大，是很好的粘结剂。 (3)固化收缩率低。同样的道理，环氧树脂分子稳定致密，与其他热固性树脂相比固化后收缩率低[9]。 (4)成型工艺性能好。环氧树脂的固化可在不同的条件下进行，固化配方的设计灵活性大，并且在固化时不产生低分子的挥发物，产品气孔较少。 (5)电学性能好。固化的环氧树脂在日常温度范围内介电性以及绝缘性都很不错。 (6)化学稳定性好。环氧树脂经过固化后化学性稳定，耐酸碱性优异，很难与酸或碱发生作用。 (7)耐热性能好。固化后的环氧树脂内部交联密度大，使得树脂具有优异的耐热性能，其耐热性温度一般为 80-100℃，专门的耐热性环氧树脂耐热性温度可以达到 200℃。