功能化氧化石墨烯/环氧树脂复合材料涂层力学及防腐性能机理研究

Functionalized graphene oxide (FGO)/epoxy coatings not only sustain the excellent thermal, electrical and barrier properties of graphene, but also exhibit strong adhesion and high manufacturability of epoxy. The FGO/epoxy coatings prepared by different technologies have different microscale structures and interfacial relationships, resulting in different mechanical and anti-corrosion behaviors. The dependence of mechanical properties on microscale structure, especially the interface is investigated by molecular dynamics (MD) method. The permeation process of corrosion medium into FGO/epoxy coating is simulated to reveal the enhancement mechanism of corrosion resistance, and the simulation is verified by the corrosion experiment. What’s more, the nanoindentation tests of FGO/epoxy coating corroded for different time are performed and the MD simulation of nanoindentation is also employed to describe the relationship between corrosion degree and mechanical properties of the coating. The study provides an effective tool for the design and preparation of graphene/epoxy coatings.

功能化氧化石墨烯（FGO）/环氧树脂涂层不仅具有石墨烯优异的热、电学以及屏蔽性能，同时还兼具了环氧树脂强附着力、工艺性强等特点。不同的制备工艺得到的FGO/环氧树脂复合材料涂层具有不同的微观组织结构及界面关系，其力学、防腐性能也表现不一。本项目采用分子动力学（MD）方法，研究FGO/环氧树脂复合材料涂层的微观结构与力学性能的关系，重点分析界面影响；模拟腐蚀介质侵蚀涂层的过程，与实验结果对比，揭示石墨烯增强防腐性能机理；用纳米压痕实验方法测试不同腐蚀程度的涂层的力学性能，并用MD模拟涂层纳米压痕过程，研究复合材料涂层的腐蚀与力学性能之间的关系。研究结果将为石墨烯/环氧树脂涂层的设计和制备提供重要的理论指导。

环氧树脂涂层因其优异的附着力和稳定性被广泛用于管道运输、汽车以及航空航天等领域的防护，但纯环氧树脂的防腐性能和力学性能相对较弱。石墨烯及其衍生物材料作为一种具有比表面积大、机械性能优异、化学性能稳定的新型纳米材料，在涂层防腐领域具有广泛的应用。以石墨烯或其衍生物作为填充材料加入到传统的环氧树脂涂层中可以提升涂层的韧性、抗冲击性和防腐性能，成为了近几年防腐涂层研究和应用的热点。目前，石墨烯或其衍生物增强环氧树脂涂层的微观结构对其力学和防腐性能的影响还有待深入研究。本项目针对石墨烯、氧化石墨烯（GO）增强的环氧树脂涂层，采用分子动力学（MD）方法，从微观结构角度分析了涂层的抗渗透性能和不同渗透程度下涂层的力学性能。.本项目建立了交联环氧树脂的MD模型，模拟了NaCl溶液向环氧树脂的渗透过程，分析了交联度对环氧树脂涂层抗渗透性能的影响，通过研究交联度与环氧涂层密度、自由体积、势能、范德华力、氢键等的关系，对交联环氧网络微结构进行分析，揭示了环氧树脂涂层微结构影响NaCl溶液运动的微观机理；建立了石墨烯/环氧树脂涂层、GO/环氧树脂涂层的MD模型，研究了石墨烯、氧化石墨烯作为填充材料对环氧树脂涂层抗渗透性的强化作用，对比分析了不同含氧官能团对涂层的抗渗透性和界面结合性能的影响，从分子间相互作用和含氧官能团化学结构的角度对模拟结果进行了解释；以渗透模拟结果为基础，建立了GO/环氧树脂涂层不同渗透程度的MD模型，模拟了不同渗透程度GO/环氧树脂涂层的纳米压痕过程，分析了渗透程度对GO/环氧树脂涂层力学性能的影响。.依托本项目，发表SCI论文4篇（含2篇未标注基金号），在投SCI论文1篇，完成国家发明专利1项，毕业硕士研究生1名，即将毕业硕士研究生1名。