马耀涵翻译
第一作者：M. Rafieea,∗, F. Nitzscheb, J. Laliberteb, S. Hindc, F. Robitaillea, M.R. Labrossea
研究亮点：石墨烯纳米片、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯双重增强玻璃纤维/环氧树脂复合材料的热性能。
成果研究：
设计了一种基于真空辅助树脂传递模塑( VARTM )的新型制造方法，以引入碳纳米粒子来增强多尺度层压板的热性能。几种石墨烯基纳米材料，包括氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯纳米片和多壁碳纳米管，被用来改性环氧树脂基体和玻璃纤维表面。研究了所得玻璃纤维增强多尺度复合材料的热性能、流变性能和形态性能。通过热导率测量、差示扫描量热法和热重分析法研究了环氧树脂/纳米粒子复合材料的热性能。热表征结果表明，纳米粒子、氧化石墨烯、氧化石墨烯和多壁碳纳米管的引入提高了热导率。结果表明，对于相同体积分数的纳米粒子，石墨烯纳米片改性复合材料的热导率改善比其他纳米粒子更明显。纳米颗粒更好的分散以及纳米颗粒和环氧树脂之间更好的界面相互作用对于提高纳米复合材料的热导率至关重要。
要点一：石墨烯纳米片、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯双重增强玻璃纤维/环氧树脂复合材料的热性能的原理
玻璃纤维和大多数聚合物基质材料本身具有低导热性或导电性，限制了它们在许多领域的应用。近年来，高导电性碳纳米材料填料被认为是提高聚合物热导率的有前途的候选材料。这些碳同素异形体优异的导热性源于它们强共价sp2碳原子键，这有利于声子通过晶格面的传输。
要点二：研究了石墨烯纳米材料改性玻璃/环氧树脂复合材料的热性能。
1. 两相环氧树脂/纳米粒子复合材料
图1显示了制备多尺度纳米复合材料的方法的总体示意图。
图1 制备多尺度纳米复合材料的新途径
将纳米颗粒/*酮丙**混合物与所需量的环氧树脂混合(表2 )，并使用超声波探头( Q700超声波发生器，Qsonica LLC，美国)进行超声波处理90分钟，包括开和关脉冲循环。为了避免任何不利的高温影响，超声处理通过20秒的开启脉冲进行，然后是10秒的关闭周期。表2中所要求的混合物量用于在通风橱内通过喷枪对纤维进行上浆。织物在通风橱中保持24小时，以确保织物上的溶剂蒸发。每平方米织物(两面)的环氧树脂比例为14 g/m。使用实验室混合器以400转/分的速度搅拌剩余的混合物12小时，以确保纳米颗粒在环氧树脂中的良好分散。在该步骤之后，将混合物置于磁性热板搅拌器上，使用涂有特氟隆的磁棒在70℃下搅拌溶液4小时。目的是通过蒸发除去*酮丙**。通过将混合物置于真空室中30分钟来确保*酮丙**的完全去除。在加入固化剂之前，让环氧树脂DGEBA和GNPs的浆料冷却至室温，以避免混合过程中过早固化。低粘度固化剂DETDA加入固化剂与树脂的比例为22∶100。使用带有不锈钢轴向叶轮的机械搅拌器将混合物以800转/分钟混合30分钟。混合物在环境温度下在真空室中脱气约30分钟。正如下一节所述，混合气体使用了环氧树脂作为层压材料的制造剂。
2. 三相层压复合材料
VARTM工艺用于制造具有纳米粒子填充环氧树脂的多尺度纤维增强层压复合材料[ 47 ]。增强材料由三层交叉铺层形式的单向玻璃纤维制成，[ 0，90，0 ]，其中0是测试的主要方向。
在注入纳米颗粒/环氧树脂分散体后，层压材料在室温下固化15小时，随后以1℃/分钟的升温速率后固化，每20℃保持1小时，然后继续直到在100℃下最终保持3小时。真空装袋系统结合两阶段脱气工艺可以实现热固性复合材料极低的空隙含量。通过水射流切割厚度为1.9±0.1毫米的复合试样进行测试。根据美国材料试验标准D 3171标准，每个层压结构的纤维体积和重量分数分别为50 %和70 %。
要点三：结果与讨论
1.流动性
对于表现为牛顿流体的纯环氧树脂，粘度等于1.0帕·秒，从纳米颗粒/环氧树脂混合物中观察到的剪切变稀行为是由多壁碳纳米管簇的蠕虫状渗透结构通过剪切破坏引起的。粘度随着纳米颗粒浓度的增加而增加。纳米颗粒之间的间距减小，降低了流动性，增加了分散体的流动阻力。图6ab揭示了在较低剪切速率下的增加比在较高剪切速率下更明显。显著的剪切变稀效应也依赖于纳米粒子的负载。随着剪切速率的增加，不同纳米颗粒浓度之间的粘度差异显著缩小。
2.热性质
（1）玻璃化温度
固化纯环氧树脂( DGEBA + DETDA )及其用多壁碳纳米管和GNPs改性的纳米复合材料的差示扫描量热曲线如图7ab所示。与固化的纯环氧树脂相比，用多壁碳纳米管或纳米石墨增强的纳米复合材料样品显示出较低的玻璃化转变温度，这表明纳米复合材料中的环氧树脂基体由于纳米颗粒的团聚而具有比纯DGEBA + DETDA更低的交联度，[，37 ]。然而，Tg的降低是有限的。
（2）.耐热性
图7cd描绘了固化纯环氧树脂( DGEBA + DETDA )及其纳米复合材料分别用多壁碳纳米管和。GNPs改性的失重曲线。热降解的热重分析结果表明环氧体系发生了结构改性。在275到375℃之间，用多壁碳纳米管和石墨烯纳米片改性的环氧纳米复合材料的重量损失约为80 %，这主要是由于含一氧化碳、二氧化碳和蒸汽*能官**团的氧的热解[ 43 ]。多壁碳纳米管和石墨烯纳米片影响热降解过程，特别是降解速率最大的温度，固化纳米复合环氧树脂的降解速率低于固化纯环氧树脂。这可能是由于在纳米粒子存在时交联减少，这与纳米粒子的聚集有关[ 22，37 ]。
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（3）导热性
两相和三相复合材料的热导率测量结果分别出现在图8和图9中。显然，热导率随着纳米填料重量百分比的增加而增加。
分别参见图9。较大的尺寸、较好的剥离度、较好的纳米颗粒分散性以及纳米颗粒与环氧树脂之间较好的界面连接似乎是提高纳米复合材料样品热导率的重要因素。
要点四：结论
研究了玻璃纤维增强多尺度复合材料的热、形态和流变性能。由于多壁碳纳米管的加入，环氧树脂粘度增加，不适用于VARTM或其他类型的低压注入工艺。另一方面，环氧树脂/GNPs的粘度并没有因为在DGEBA中添加高达1 wt%的纳米颗粒而显著增加。根据本研究中进行的实验，环氧基体中多壁碳纳米管的负载量可高达0.075重量%，以避免织物过滤，对于国产总值、氧化石墨和氧化石墨，负载量可根据预期应用进行调整。
还研究了环氧树脂/纳米粒子复合材料的热性能。结果表明，纳米粒子、氧化石墨烯、氧化石墨烯和多壁碳纳米管的引入提高了热导率。环氧树脂/纳米粒子两相复合材料的导热系数在1.2 % (重量)的磷酸根离子下提高了6.0 %。与纯玻璃钢控制结果相比，多壁碳纳米管改性的玻璃纤维/环氧树脂导热系数分别提高了8.8 %、12.6 %、8.2 %和4.1 %。结论是，对于相同的体积分数，与其他研究的纳米粒子相比，GNPs导致热导率的更大改善。控制纳米粒子的分散和纳米粒子与环氧树脂之间的界面相互作用是关键因素，对优化提高纳米复合材料的热导率至关重要。