石墨烯改性碳纤维/溴化环氧/氰酸酯层压复合材料的低温力学和摩擦学性能研究

Carbon fiber reinforced resin composites have been extensively employed in cryogenic engineering, superconductive technology and aerospace fields, because of their low density, high strength, wear resistance, corrosion resistance and low thermal expansion coefficient, etc.. Our early studies have shown that brominated epoxy resin/cyanate ester blends can be used as a high performance cryogenic resistant matrix, while cyanate ester has good wettability and coating property with carbon fibers. Moreover, epoxy has a good compatibility with cyanate ester and also, is inexpensive and can overcome the poor processing property of cyanate ester. In this proposal, carbon fiber reinforced epoxy/cyanate ester laminated composite will be prepared, in which graphene oxide will be used as nanofiller to modify carbon fiber/epoxy/cyanate ester composite. The influence of the addition of graphene oxide on cryogenic mechanical properties (strength, modulus and toughness) and tribological properties (friction coefficient and wear rate) will be studied. It will be focused to correlate the cryogenic mechanical and tribological properties with the graphene oxide content, dispersion and microstructure of composite. The research results will form a basis for practical application of the composites as cryogenic and wear resistant materials. The outcomes are expected to have great practical significance for the composites to be used in the large cryogenic engineering, superconductive technology and aerospace industries.

碳纤维增强树脂基复合材料具有低密度、高强度、耐磨、耐腐蚀、低热膨胀系数等优点，广泛应用于低温工程、超导技术和航天等低温领域。前期研究表明，溴化环氧树脂/氰酸酯可以作为一种高性能耐低温树脂基体，氰酸酯对碳纤维有良好的浸润性和涂覆性；而环氧树脂和氰酸酯有良好的相容性，价格低廉且能克服氰酸酯加工工艺性差的弱点。本研究拟在前期工作基础上，在碳纤维/溴化环氧树脂/氰酸酯层压板复合材料体系中添加氧化石墨烯进行改性，系统研究石墨烯的加入改善材料的低温力学性能（强度、模量和韧性等）和摩擦学性能（摩擦系数和磨损率）。建立低温力学和摩擦学性能与石墨烯含量、分散性及复合材料微观结构之间的关系，确定影响材料低温力学和摩擦学性能的主要因素，为制备出低温条件下具有优异力学和摩擦性能的复合材料奠定一定理论基础。研究成果可为低温工程、超导技术和航空航天等领域耐低温、耐摩擦材料做好技术储备，因而本项目具有重要的实际意义。

碳纤维增强树脂基复合材料具有低密度、高强度、耐磨、耐腐蚀、低热膨胀系数等优点，广泛应用于低温工程、超导技术和航天等低温领域。本项目首先通过对树脂基体性能的系统研究，综述考虑树脂基体材料的拉伸性能、冲击强度，玻璃化转变温度，热变形系数，氧指数，吸水率等参数，确立了树脂基体氰酸酯和溴化环氧树脂最优质量配比为8：2。这时达到最优的树脂基体性能参数，室温及77 K下拉伸强度分别达到70.6MPa和104.6MPa，拉伸模量2.2GPa和5.3GPa，室温及77 K下的冲击强度分别为16.2 KJ/m2和15.3KJ/m2，氧指数31.1%。随后又研究了氧化石墨烯的添加对树脂基体性能的影响，证实了作用机理，结果表明氧化石墨烯由于表面具有丰富的含氧官能基团，和环氧树脂具有较强的化学键和作用力，并且氧化石墨烯片以树枝状的增强骨架结构存在，在树脂基体中呈现各向异性分布，复合材料在受到外加载荷时，外力传递至基体时均可以传递到石墨烯的基片上并可以承受较大载荷，从而使得石墨烯/聚合物基复合材料的力学强度得到显著提高。此外，由于氧化石墨烯的添加提高了树脂基体材料的刚性，使得材料在摩擦过程不容易发生蠕变，从而有效降低了材料的磨损率，在0.2GO%添加量时磨损率降低73%。.进一步研究了石墨烯添加对碳纤维/溴化环氧/氰酸酯复合材料体系的力学性能影响。低温拉伸强度在0.2%GO添加量时提高了19.4%，模量提高了13.1%。系统研究石墨烯的加入改善材料的低温力学性能（强度、模量和韧性等），建立了材料性能与石墨烯含量、分散性及复合材料微观结构之间的关系，为制备出低温条件下具有优异力学和摩擦性能的复合材料奠定一定理论基础。