聚苯胺修饰三维碳基导电填料/环氧树脂复合材料电导与力学性能

摘要

近年来，树脂基复合材料具有成型性好、可设计性自由度高、高强、轻质、耐温、耐腐蚀等优良特性，引起了导电研究领域的新热潮。但传统的导电填料包括各种金属粉末、金属纤维、金属盐等金属材料以及石墨、炭黑、碳纤维、石墨烯等碳材料，它们通常以二维状态填充在树脂基体中，直接混合得到的导电树脂基复合材料存在导电填料分散困难、无序化排列、密度大以及与树脂基体界面相容性差等问题，导致复合材料无法兼顾导电和力学性能的协同提高，制约了导电树脂基复合材料的发展。针对上述问题，本课题提出将轻质、多孔三维石墨烯结构体和碳纤维纸分别作为导电填料，并利用聚苯胺对其表面进行改性处理，采用树脂传递模塑(RTM)和真空辅助成型方法制备环氧树脂基复合材料。通过研究改性前后导电填料的微观形貌和化学结构的变化，探究其与环氧树脂基复合材料的导电和力学之间的构效关系。探究改性前后的导电填料与环氧树脂间的界面微区机理。本课题的主要研究内容包括以下方面:
　　(1)构建三维石墨烯结构体，经热处理得到结构稳定且具备导电性的三维石墨烯结构体，成为本课题研究的第一种导电填料。轻质、多孔、优异导电性的碳纤维纸是本课题研究的第二种导电填料。
　　(2)对于三维石墨烯结构体，采用化学聚合法在孔壁表面聚合聚苯胺，分析改性前后的三维石墨烯结构体微观结构之间的转换;对于碳纸，采用电聚合法并调控聚合时间在碳纸的表面聚合聚苯胺，分析改性前后碳纸微观结构的转变。结果表明，化学聚合法制备的聚苯胺是以几百纳米的小颗粒堆积的层状结构附着在三维石墨烯结构体的孔壁表面;电聚合制备的聚苯胺是以纤维网的形式缠裹在碳纤维表面。
　　(3)采用RTM和真空辅助成型技术制备环氧基复合材料，对比改性前后复合材料在导电和力学方面的变化。结果指出，树脂传递模塑工艺制备的三维石墨烯/环氧基复合材料，改性后的复合材料的导电和力学性能最佳。真空辅助工艺制备的碳纸/环氧基复合材料，随着聚合时间的延长，复合材料的导电和力学性能逐渐加强，当聚合时间达到10min时达到最佳状态。
　　(4)采用FESEM及附带的EDS、接触角及界面形成原理等方法证明聚苯胺夹层的存在优化了导电填料与环氧树脂间的界面微区结构，改善了导电填料与环氧树脂之间的界面粘附性;根据DMA热稳定性分析、接触角测试以及界面微区的形成方式，探究改性导电填料对环氧基复合材料界面粘附性能的影响机制。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 导电树脂基复合材料概况

1．2．1 导电树脂基复合材料

1．2．2 环氧树脂

1．3．1 石墨烯的结构和性质

1．3．2 三维石墨烯结构体的制备

1．3．3 三维石墨烯复合结构体的制备

1．3．4 三维石墨烯复合结构体的应用领域

1．4 导电填料—碳纤维纸的研究进展

1．4．1 碳纤维纸的制备

1．4．2 碳纤维纸的应用

1．5 导电填料的界面改性研究进展

1．5．1 石墨烯材料的界面改性

1．5．2 碳纤维纸的界面改性

1．6 本课题的选题背景、意义及研究内容

第二章 实验材料及实验方法

2．1 实验材料及实验设备

2．1．1 实验原料及试剂

2．1．2 实验设备

2．2 氧化石墨烯的制备

2．3 三维石墨烯结构体的制备及热处理

2．4 三维石墨烯结构体与碳纤维纸的改性

2．5 环氧复合材料的制备

2．6 表征方法

2．6．1 导电填料及环氧复合材料断面的结构形貌和性能表征

2．6．2 环氧复合材料的性能表征

第三章 改性三维石墨烯结构体／环氧复合材料的导电和力学性能研究

3．1 三维石墨烯结构体的结构形貌分析

3．1．1 3DGO与3DGF形貌表征

3．1．2 聚苯胺改性3DGF的形貌表征

3．2 聚苯胺改性机理

3．2．1 热处理三维石墨烯结构体的结构与性能

3．2．2 聚苯胺改性三维石墨烯结构体的结构

3．3 环氧基复合材料的断面结构

3．4 环氧基复合材料的导电性能

3．5 环氧基复合材料的力学性能

3．6 环氧基复合材料的形成机制探究

3．7 本章小结

第四章 改性碳纤维纸／环氧复合材料的导电和力学性能研究

4．1 改性碳纤维纸的结构与形貌分析

4．2 环氧／碳纸-PANI复合材料的界面结构

4．3 环氧／碳纸-PANI复合材料的导电、导热以及力学性能研究

4．4 本章小结

第五章 全文总结与展望

5．1 主要结论

5．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢