氧化石墨烯增强的高分子复合材料的研究

氧化石墨烯改性环氧树脂及其复合材料的性能任志东, 郝思嘉, 邢 悦, 杨 程, 戴圣龙（中国航发北京航空材料研究院，北京 100095）摘要：采用机械研磨的方法制备氧化石墨烯（GO ）改性环氧树脂（GH81），利用光学显微镜对GO 在环氧树脂（H81）中的分散情况进行分析，通过流变仪和差示扫描量热仪对H81和GH81的热熔行为和固化行为进行表征。

结果表明：GO 均匀分散在基体树脂中，GO 的加入不影响基体树脂的熔融黏度和固化条件；以GH81为基体树脂的碳纤维复合材料GH81-300的0°方向拉伸强度、弯曲强度和压缩强度分别为2270 MPa 、2239 MPa 和1529 MPa ，分别较未添加GO 时提高了6.4%、7.2%和7.1%。

关键词：氧化石墨烯；环氧树脂；热熔预浸料；碳纤维复合材料doi ：10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000142中图分类号：O633.13；TB332 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2019)02-0025-08环氧树脂基碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量及力学性能可设计等优点，已成为制作轻质高性能结构件的理想材料，并在航空航天领域获得了广泛的应用[1-3]。

由基体树脂（环氧树脂、固化剂）和增强纤维等组成的预浸料，是制造环氧树脂基碳纤维复合材料及制件的中间材料，其品质直接影响复合材料制件的性能[4]。

预浸料中基体树脂的黏度-温度特性是决定预浸料的黏性、铺贴性等操作性能优劣的关键因素，而基体树脂的固化行为则决定了预浸料的储存期和成型温度[5-6]。

氧化石墨烯（GO ）作为石墨烯的一种衍生材料，不仅具有二维片状结构和大的比表面积，而且表面分布有大量的羟基、羧基和环氧基等反应性官能团，能够与复合材料发生化学键结合，实现对复合材料的增强改性[7-10]。

因此，GO 和环氧树脂基碳纤维复合材料的有机结合，能够进一步提高复合材料的性能，为新一代航空飞行器的研制提供新材料支持。

基于混凝土材料的氧化石墨烯复合材料性能研究一、引言混凝土是一种常见的建筑材料，在建筑、道路、桥梁等领域得到广泛应用。

然而，由于混凝土的低强度、易开裂等缺陷，其耐久性和使用寿命受到了很大的限制。

因此，研究如何改善混凝土材料的性能已成为一个重要的课题。

氧化石墨烯是一种新型的纳米材料，具有优异的力学性能、导电性和热稳定性等特点，被广泛应用于各种领域。

将氧化石墨烯与混凝土材料复合，可以提高混凝土材料的力学性能、耐久性以及其他特性。

因此，本文将从氧化石墨烯复合材料的制备方法、性能表征以及应用等方面进行详细研究。

二、制备方法氧化石墨烯复合材料的制备方法有多种，包括机械混合法、化学还原法、溶胶凝胶法等。

其中，溶胶凝胶法是目前最常用的方法之一，其制备流程主要包括以下几个步骤：1. 溶液制备：将氧化石墨烯分散在溶剂中，通常使用的溶剂为水或有机溶剂。

在将氧化石墨烯分散在溶剂中的过程中，通常需要加入表面活性剂或分散剂，以增加分散度。

2. 混合：将混合剂（如硅酸酯、钙基化合物等）与溶液混合，形成氧化石墨烯复合材料的前驱体。

3. 凝胶：将前驱体放置在恒温恒湿的环境中，使其逐渐形成凝胶。

在凝胶的形成过程中，氧化石墨烯与混凝土材料形成了紧密的复合结构。

4. 热处理：将凝胶进行热处理，使其形成氧化石墨烯复合材料。

三、性能表征氧化石墨烯复合材料的性能表征主要包括力学性能、微观结构以及导电性等方面。

1. 力学性能：氧化石墨烯复合材料的力学性能是其最重要的表征之一。

通过拉伸实验、压缩实验等方法可以测试其力学性能。

研究表明，氧化石墨烯的加入可以显著提高混凝土的强度和韧性。

2. 微观结构：扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）等技术可以用于研究氧化石墨烯复合材料的微观结构。

研究表明，氧化石墨烯与混凝土材料形成了紧密的复合结构，可以有效地防止混凝土的开裂。

3. 导电性：氧化石墨烯具有优异的导电性能，将其与混凝土复合，可以显著提高混凝土的导电性能。

石墨烯增强铝基复合材料的研究进展石墨烯增强铝基复合材料的制备方法主要有湿法悬浮液制备、机械合金法和浸涂法等。

湿法悬浮液制备是通过在铝基复合材料悬浮液中加入石墨烯来制备的，可以获得高度均匀的石墨烯分散体系，但是制备工艺相对复杂。

机械合金法是通过高能球磨、热压等方法将石墨烯与铝粉混合制备的，可以获得较高的石墨烯含量，但是制备工艺相对耗能。

浸涂法是将石墨烯溶液浸渍在铝基材料上制备的，可以获得均匀一致的石墨烯涂层，但是石墨烯含量较低。

石墨烯增强铝基复合材料的力学性能主要通过石墨烯增强效应和界面反应效应来提高。

石墨烯具有优异的力学性能，可以有效增强铝基复合材料的强度和刚度，提高材料的抗拉强度、屈服强度和硬度等。

石墨烯与铝基材料之间存在界面反应效应，可以有效增强两者之间的结合强度，提高材料的力学性能。

石墨烯增强铝基复合材料的导电性能主要通过石墨烯的导电性来提高。

石墨烯具有高导电性能和低电阻率，可以使得铝基复合材料具有优良的导电性能。

石墨烯增强铝基复合材料可以应用于导电材料领域，例如电池集电极、导电接触材料等。

石墨烯增强铝基复合材料的研究进展已经取得了一定的成果。

一方面，研究人员通过不断优化制备工艺，提高石墨烯的分散度和含量，从而获得更好的力学性能和导电性能。

通过优化湿法悬浮液制备工艺，可以获得更好的石墨烯分散性和相互作用性，提高材料的力学性能；通过优化机械合金法制备工艺，可以获得更高的石墨烯含量，提高材料的导电性能。

研究人员还对石墨烯增强铝基复合材料的性能进行了深入研究。

通过力学性能测试和电学性能测试等方法，研究了石墨烯增强铝基复合材料力学性能和导电性能的变化规律，为进一步优化材料的性能提供了理论基础。

石墨烯增强铝基复合材料具有广阔的应用前景，在结构材料、导电材料等方面具有重要的研究价值。

通过不断深入研究石墨烯增强铝基复合材料的制备方法和性能调控机制，可以进一步提高材料的力学性能和导电性能，推动其在实际应用中的广泛应用。

石墨烯复合材料应用研究进展一、本文概述石墨烯，一种由单层碳原子紧密排列形成的二维晶体材料，自2004年被科学家首次成功分离以来，便以其独特的物理、化学和电子性能，引发了全球范围内的研究热潮。

石墨烯具有出色的电导性、热导性、力学性能和化学稳定性，因此在诸多领域具有广阔的应用前景。

随着科技的进步，石墨烯已不再是单一使用的材料，而是逐渐与其他材料复合，形成石墨烯复合材料，以进一步拓展其应用范围和提升性能。

本文旨在对石墨烯复合材料的应用研究进展进行系统的梳理和总结。

我们将首先概述石墨烯及其复合材料的基本性质，然后分析石墨烯复合材料在能源、环境、生物医学、电子信息等领域的最新研究进展，探讨其实际应用中所面临的挑战和解决方案。

通过本文的阐述，我们期望能够为读者提供一个全面而深入的了解石墨烯复合材料应用研究的平台，为未来的科研工作和产业发展提供有益的参考。

二、石墨烯复合材料的制备方法石墨烯复合材料因其独特的物理化学性质，在能源、环境、生物医学等领域展现出广阔的应用前景。

而制备方法的选择和优化对于实现石墨烯复合材料的优良性能和应用潜力至关重要。

目前，石墨烯复合材料的制备方法主要包括溶液混合法、原位生长法、熔融共混法以及气相沉积法等。

溶液混合法是最常见且简单的制备石墨烯复合材料的方法之一。

通过将石墨烯粉末或溶液与基体材料溶液混合，再利用超声、搅拌等手段使其均匀分散，最后通过干燥、热处理等步骤得到复合材料。

这种方法操作简单，但需要注意的是石墨烯在溶液中的分散性和稳定性。

原位生长法是通过在基体材料表面或内部直接生长石墨烯纳米片的方法。

通常利用化学气相沉积（CVD）或热解等方法，在基体材料表面引入碳源，在高温条件下使其分解并生成石墨烯。

这种方法制备的石墨烯与基体材料结合紧密，但制备过程相对复杂，成本较高。

熔融共混法是将石墨烯与熔融状态的基体材料混合，通过剪切力使石墨烯均匀分散在基体材料中。

这种方法适用于高温熔融的聚合物基体材料，制备得到的石墨烯复合材料具有较好的机械性能和热稳定性。

还原氧化石墨烯及其复合材料的制备与吸波性能研究摘要不论是在军事领域，还是民用领域，高性能吸波材料因具有厚度薄、质量轻、吸收强以及吸收频带宽的优点而具有潜在的应用价值。

在众多高性能吸波材料中，石墨烯凭借其较低的密度、超高的比表面积、优异的介电性能、机械性能和化学稳定性成为了吸波领域研究的热点，然而，石墨烯较高的介电常数使得其阻抗匹配特性极差，造成大量的电磁波被反射，进而导致其较差的吸波性能。

针对以上问题，本文以还原氧化石墨烯为基体，通过引入导电聚合物和核壳结构的纳米粒子来提升还原氧化石墨烯的阻抗匹配特性，从而增强其对电磁波的吸收；此外，为了探索其在实际过程中的应用，我们将制备的粉末状吸波剂均匀分散于环氧树脂中，对其吸波性能进行了研究。

具体研究内容和结果如下：（1）以苯胺功能化修饰的还原氧化石墨烯（rGO-An）为活性点，通过界面聚合法将纳米棒状的聚苯胺（PANI）接枝在rGO表面，形成还原氧化石墨烯共价接枝聚苯胺（rGO-g-PANI）复合材料。

当该复合材料在石蜡中的掺杂比为30wt%时，获得最优的吸波性能，在厚度为3mm时，最小反射损耗（RL）可以达到-45.2dB，有效吸收带宽能够覆盖4.4GHz，这表明PANI纳米棒的接枝明显能够改善rGO的吸波性能；此外，为了突出rGO和PANI纳米棒接枝的增强效果优于二者的物理吸附，我们将rGO/PANI复合材料和rGO-g-PANI复合材料的吸波性能作了对比，并且对其机理进行了探讨。

（2）以类沸石咪唑酯骨架材料（ZIF-67）为芯材，以氧化锌（ZnO）为壳层，合成具有核壳结构的ZIF-67@ZnO纳米粒子，然后通过高温煅烧的方式，将ZIF-67中的有机物裂解掉，形成核壳结构的Co/NPC@ZnO纳米粒子，当30wt%的Co/NPC@ZnO纳米粒子混合在石蜡中时，该纳米粒子能够对电磁波产生最强的吸收效果；最后，我们将该纳米粒子与GO复合，通过水合肼的还原作用，形成rGO包裹Co/NPC@ZnO纳米粒子的三维网络结构，此三维网络结构的最小RL值为-45.4dB，有效吸收带宽为5.4GHz，而吸波剂的厚度仅有2mm，结合rGO的吸波性能，我们研究了Co/NPC@ZnO的增强机理。

石墨烯的功能化改性及应用研究石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料，具有出色的物理、化学和机械性能。

自2004年被成功分离以来，石墨烯在能源、材料、生物医学等领域的应用引起了广泛。

然而，石墨烯的化学稳定性、生物相容性以及在水溶液中的分散性等问题限制了其广泛应用。

因此，对石墨烯进行功能化改性具有重要的实际意义。

功能化改性是提高石墨烯应用性能的有效途径。

改性的方法主要包括氧化、还原、官能团化、共价键合等。

通过这些方法，可以改变石墨烯的表面性质、水溶性、分散性等，以满足不同应用场景的需求。

氧化石墨烯是一种常见的石墨烯衍生物，通过在石墨烯表面引入羟基、羧基等基团，提高其水溶性和分散性。

还原氧化石墨烯则是在氧化石墨烯的基础上，通过还原剂将氧化基团还原为氢基团，以恢复石墨烯的导电性能。

官能团化石墨烯是通过化学反应在石墨烯表面引入特定官能团，如氨基、巯基等。

这些官能团可以与其它分子或离子反应，实现对石墨烯功能的进一步拓展。

共价键合则是通过在石墨烯表面引入功能化的基团，实现与其他分子或材料的键合。

经过功能化改性后，石墨烯在各个领域的应用研究得到了广泛开展。

在电子领域，功能化石墨烯可用于制作透明导电膜、场效应晶体管、储能器件等。

在纳米制备领域，功能化石墨烯可用于制备纳米药物、纳米催化剂、纳米传感器等。

在复合材料领域，功能化石墨烯可用于增强金属、陶瓷、高分子等材料，提高其力学、电磁、热学等方面的性能。

功能化石墨烯在能源、生物医学等领域也有广泛的应用前景。

尽管石墨烯的功能化改性和应用研究已经取得了显著的进展，但仍存在许多问题需要进一步探讨。

功能化改性的方法需要进一步完善，以提高石墨烯的性能和稳定性。

石墨烯的大规模制备和分离仍然是亟待解决的问题，需要开发更为高效和经济的方法。

石墨烯的生物相容性和生物活性需要进一步研究，以拓展其在生物医学领域的应用范围。

本文介绍了石墨烯的功能化改性及其应用研究。

通过氧化、还原、官能团化和共价键合等方法，可以改善石墨烯的性能和应用范围。

石墨烯基复合材料的制备与性能研究石墨烯是一种单层碳原子排列成的二维晶体，具有极高的强度、导电性和导热性。

在过去的几年里，石墨烯在材料科学领域引起了广泛的关注。

为了进一步发展石墨烯的应用，研究人员开始将石墨烯与其他材料相结合，形成石墨烯基复合材料。

这些复合材料具有优异的性能和多样化的应用前景。

本文将探讨石墨烯基复合材料的制备方法以及其性能研究。

一、石墨烯基复合材料的制备方法1. 化学气相沉积法（CVD）化学气相沉积法是一种常用的制备大面积石墨烯的方法。

该方法通过在金属衬底上加热挥发的碳源，使其在高温下与金属表面反应生成石墨烯。

石墨烯的生长在具有合适结晶特性的金属表面上进行，如铜、镍等。

CVD法制备的石墨烯可以获得高质量、大尺寸的单层石墨烯。

2. 液相剥离法液相剥离法是一种以石墨为原料制备石墨烯的方法。

通过在石墨表面涂覆一层粘性聚合物，然后利用粘性聚合物与石墨之间的相互作用力，将石墨从衬底上剥离，最终得到石墨烯。

这种方法能够制备出大面积的石墨烯，并且使用简便、成本较低。

3. 氧化石墨烯还原法氧化石墨烯还原法是一种制备石墨烯的简单方法。

首先将石墨烯氧化生成氧化石墨烯，然后通过还原处理，还原为石墨烯。

该方法可以在实验室条件下进行，操作简单方便。

然而，由于氧化石墨烯的导电性较差，所得石墨烯的质量较低。

二、石墨烯基复合材料的性能研究1. 机械性能石墨烯具有出色的机械性能，其强度和刚度超过大多数材料。

石墨烯基复合材料的机械性能主要取决于基体材料和石墨烯的界面相互作用。

研究表明，合适添加石墨烯可以显著提升材料的强度和硬度。

2. 电学性能石墨烯具有优异的电学性能，可以用作电极材料、导电填料等。

石墨烯基复合材料在导电性能方面表现出色，可以用于制备柔性电子器件、传感器等。

3. 热学性能由于石墨烯的热导率高达3000-5000 W/(m·K)，石墨烯基复合材料在热学性能方面具有巨大的潜力。

石墨烯能够显著提高基体材料的热导率，因此可以应用于散热材料、热界面材料等领域。

石墨烯增强铝基复合材料的研究进展石墨烯增强铝基复合材料的制备方法主要包括机械合金化、电化学沉积、热压、喷涂等多种技术。

机械合金化是将经过预处理的石墨烯与铝粉进行球磨混合，然后经过热压、热处理等工艺制备而成。

电化学沉积是将石墨烯通过电解液在铝基材料表面沉积而成。

热压是将石墨烯与铝粉混合后进行热压成型。

喷涂则是将石墨烯分散在液态载体中，通过喷涂技术在铝基材料表面喷涂而成。

这些方法各有优劣，可以根据具体需求选择合适的制备工艺。

二、石墨烯增强铝基复合材料的性能石墨烯增强铝基复合材料具有优异的性能，主要体现在以下几个方面：1. 机械性能：石墨烯增强铝基复合材料具有极高的强度和硬度，具有优异的抗拉伸、抗弯曲和抗压性能。

2. 导热性能：石墨烯具有出色的导热性能，能够有效提高铝基材料的导热性能，有助于提高复合材料的散热性能。

3. 耐腐蚀性能：石墨烯具有优异的化学稳定性，能够提高铝基材料的耐腐蚀性能，延长材料的使用寿命。

4. 密封性能：石墨烯增强铝基复合材料的表面平整度高、无毛刺，密封性好，可广泛应用于需要高密封要求的场合。

5. 其他性能：石墨烯增强铝基复合材料还具有较好的耐磨性、耐疲劳性和减震性能，可满足不同领域对材料性能的要求。

近年来，石墨烯增强铝基复合材料的研究进展迅速，不断涌现出新的制备工艺和性能优化方法。

从制备工艺上来看，热压技术制备的石墨烯增强铝基复合材料具有高密度、界面结合强度高的特点，能够有效提高材料的力学性能；而喷涂技术制备的复合材料则具有成本低、生产效率高的优势，能够满足大规模生产的需求。

在性能研究中，研究者们通过调控石墨烯的分散度、改善石墨烯与铝基材料的界面结合强度等途径，不断提高石墨烯增强铝基复合材料的综合性能。

还有研究表明，在石墨烯增强铝基复合材料中引入纳米碳管、氧化铝等纳米颗粒能够显著提高材料的力学性能和耐磨性能，为复合材料的性能优化提供了新的思路。

石墨烯增强铝基复合材料具有广泛的应用前景。