石墨烯_环氧树脂复合材料非等温固化动力学研究开题报告

石墨烯_环氧树脂复合材料非等温固化动力学研究开题报告本文简介：毕业设计（论文）开题报告课题名称石墨烯/环氧树脂复合材料非等温固化动力学研究院系材料科学与工程学院专业高分子材料班级T1133-7姓名邢峰学号20110330712指导教师签名（校内）指导教师签名（校外）*年*月*日湖北汽车工业学院毕业设计（论文）开题报告1.本论文的研究目的、意义和主要内容石墨稀以

石墨烯_环氧树脂复合材料非等温固化动力学研究开题报告本文内容：

毕业设计（论文）开题报告

课题名称

石墨烯/环氧树脂复合材料非等温固化动力学研究

院

系

材料科学与工程学院

专

业

高分子材料

班

级

T1133-7

姓

名

邢峰

学

号

20110330712

指导教师签名（校内）

指导教师签名（校外）*年*月*日

湖北汽车工业学院毕业设计（论文）开题报告

1.本论文的研究目的、意义和主要内容

石墨稀以优异的物理化学性能受到研究者的关注,具有很广泛的应用前景和发展潜力。特别是石墨炼具有很高的力学性能,作为增强体材料添加到聚合物基体中可以大大提升聚合物材料的力学性能。石墨稀的制备有很多方法,但还没有一种方法能够大量生产出结构稳定的石墨稀,不能满足石墨炼作为填料在聚合物材料中的需求。另一方面,石墨烯在聚合物材料中的分散性和增强/增初机理也是值得研究的问题。

为了解决这些问题,本论文研究的主要内容为:

(1)石墨稀的制备。首先釆用插层氧化法制备出氧化石墨,然后采用微波固相热解剥离氧化石墨制备石墨稀;

(2)对石墨稀表面进行偶联剂处理,使石墨烯能更好的分散在基体树脂中,提高其与基体的结合能力;

(3)寻找合适条件和工艺,制备石墨稀/环氧树脂基复合材料,并测试复合材料的力学性能和热稳定性;

(4)通过分析改性石墨稀的表面结构和观察复合材料的断面形貌,研究石墨稀对环氧树脂基复合材料性能的影响,并提出石墨稀的增强增軔机理。

2

本课题及相关领域的国内外现状及发展

据了解,现在科学界对石墨烯/树脂基复合材料的制备和对其增强性能的研究还处于起步阶段,文献上大量报道的树脂膜中添加石墨颗粒或者是氧化石墨,这种膜的拉伸强度等力学性能,由于石墨颗粒和氧化石墨等的力学性能与石墨烯相差甚远,因此制备出的复合材料的力学性能和热学性能远不如预期,甚至还低于未添加这些填充体的树脂基复合材料,因此制约了树脂基复合材料的应用.

环氧树脂（EP）作为常用的树脂基体，具有优异的粘接性能、力学强度、耐热性和介电性等特点，但其固化后含有大量环氧基，交联密度过高，故所得制品呈脆性，并且耐冲击性、导电性和导热性等较差；而石墨烯是世界上最坚硬的物质，并具有优异的导电性和导热性。因此，将石墨烯和EP复配后制成的复合材料兼具两者的优点，具有良好的应用价值

2.

1

实验用原料

(1)

石墨烯简介

继富勒烯和碳纳米管之后,石墨烯(

Graphene)

的发现是碳材料研究领域又一个重大

的突破

，引起了世界各国研究人员的极大兴趣，其实石墨烯并不是最近才提出来的，早在1859年就已经有人尝试从石墨晶体中分离出单原子片层

来。但是由于科学家们

一直认为二维晶体材料由于热动力学的不稳定性,所以二维晶体材料严格意义上是不存在

的。并且这种观点也得到了后人所研究的实验现象的支持和验证

。因此

，单

原

子石

墨层一直仅被认为是组成三维结构中的一部分，在普通环境下不能独立的存在。通常其

只能在和石墨烯晶格匹配的单晶上外延生长，而二维的石墨烯片层由于在普通环境的

不稳定性,是不能单独存在的。直到2004

年，科学家才在试验中发现独立存在的准二维石墨烯

。几乎在同一时间

，研究人员还发现了其他独立存在的二维晶体，例如单片

层氮化硼和铋锶钙铜的氧化物（BSCCO

)，这些二维晶体能够在非晶体基板上和悬浮液中制得。至此，二维存在的晶体材料才从理论发现到现实制备。石墨烯是二维单原子层，

其中的单原子层是由sp杂化的碳原子构成。石墨烯已被预示有很多不寻常的性能

。它

的热导性和机械硬度很明显超过石墨面内值,分别达到3000W/(

m

·k)和1060

G

Pa。由于相似的缺陷，石墨烯的断裂强度可以和碳纳米管相比

。最近的研究也表明单一石

墨烯层有特殊的电子传输性能。这种近几年刚刚兴起的碳材料可以定义为由碳原子紧

密排列的六元环的平面网状结构，研究认为石墨烯是构成其它维数的炭材料（富勒烯、碳纳米管、石墨）的基础。通过一维的石墨烯经过包覆、卷曲和堆垛三种作用，石墨烯可以分别得到零维的富勒烯、一维的碳纳米管和三维的石墨。在发现单层石墨烯的同

时

，科学家也观察到了还有两层，三层甚至到十层的石墨片层，如此，二维的石墨烯和三维石墨如何区分呢，研究发现，随着炭原子层数的增加，石墨烯的结构和性能会迅速发生变化,并在10层的时候接近或达到三维石墨材料的临近点。当石墨烯层数小于十

层时，其表现出与普通三维石墨不同的能带结构,此时的材料可以称为二维石墨烯。当

层数为十以上的时候，此时已经是三维的石墨材料了，称其为石墨。因此，单层、双层

和多层(即层数在3到10之间)石墨烯可以被认为是三种不同种类的碳二维晶体。而更

厚的结构(即片层数大于

10)应该被定义为是纳米石墨薄片。

（2）环氧树脂简介

环氧树脂

（

E

po

x

y

Re

s

i

n

）是通常是指在分子链中含有环氧基团的高分子材料

，而环氧基团一般是不少于两个，它的主链一般是以芳香族、脂环族或脂肪族链段为主，同时在主链上还带有环氧基和其他含氧基团。比较典型且常用的环氧树脂是双酚

A二缩水甘油醚，平时我们所见的环氧树脂都是没有固化的,它是一种热塑性材料

，因

此环氧树脂的韧性和力学强度都不是很高，在实际生产和生活中都不能直接应用，性能

较差。但是环氧树脂一旦经固化剂固化处理后，性能就发生巨大转变，这是因为环氧树

脂固化后会生成三维网状结构,这种结构有不溶不熔的特性，因此固化后的环氧树脂表

现出一些固化前所没有的优异性质，从而在实际生产和生活中有了很广泛的应用。固化

的过程其实就是单体聚合的过程，固化后就得到了环氧树脂的固化产物。固化后的环氧

树脂性质有所改变，例如固化后的环氧树脂吸水率教低，并且电阻率上升，即电绝缘性

得到提升，这是因为固化后的环氧树脂中不再具有可以引起导电的游离粒子和活性基

团。环氧树脂按照分子结构分类可以分为线型脂肪族和环型脂肪族、缩水甘油胺、缩水甘油酯、缩水甘油醚等这五大类。环氧树脂固化后具有优良的力学性能、固化后尺寸收

缩率低、化学稳定性很好、抗腐蚀和耐菌性较好（便于湿热环境下使用）、固化后尺寸收缩率低、优异的电性能、尺寸稳定性和耐久性等。环氧树脂的韧性虽好，但对于某些

较高使用要求的产品,所还是不能满足其要求，仍显过脆，所以常常需要进行增韧改性。

环氧树脂的固化过程有三种途径：环氧树脂分子之间直接相互交联,也可以加入固化剂

进行固化剂和树脂之间交联，或者环氧树脂上所带基团与芳香基团或者脂肪羟基相互

交

联

。

表2.1

实验用原料

试剂名称

分子量

试剂规格

硫酸

硝酸

双氧水

无水乙醇

盐酸

丙酮

环氧树脂

咪唑

去离子水

98.6

63.01

34.01

46.7

58.08

低粘度的E-51型

2-乙基-4-甲基咪唑

4.

分析纯

分析纯

分析纯

分析纯

分析纯

分析纯

分析纯

分析纯

2.2

实验

设

备

J

Y

92

-

II

超声波细胞粉碎机,电子天平,超声波清洗器,真空干燥箱,台式离心机,马弗炉,磁力搅拌器,离心机,差式扫描量热仪

2.3

石墨

烯

/环氧树脂

复合材料的制

备

1.

先将制备的石墨烯加入一定

比例的丙酮溶液，保持水浴温度0℃

±

5℃的条件下

，将石墨烯丙酮的混合液固定在细胞粉碎机的支架上

，这是要注意探头浸入溶液的深

度约10

mm

，不能太低

，然后开始

超声搅拌

实验

中设定的条件是超声2s,然后间隔

2s,超声次数设

定

99次

(

约6个周期)

；

2.然后混入已经预热

80℃的

E

-51树脂中

，保持上述条件

，超声20个周期；

3.将混合液置于65

℃的水浴中磁力搅拌加热

2

小时

；

4.放入真空箱中70

℃

抽真空脱气泡2小时

;

5.加入一定量已经预热的固化剂于树脂中进行搅拌均匀

;

6.

然后再放入还有余温的真空箱中继续抽真空脱气泡半小时，排除刚混入的气泡

；

7.采用浇铸法，将石墨烯/环氧树脂混合物倒入自制的45#刚模具中，在80

℃下固化1小时，120或130℃下固化3小时（具体温度由石墨烯含量决定）

。

2.4

DSC测试

样品的非等温固化反应在差式扫描量热仪上进行,仪器经国标校正。每次取样品5-10mg，对样品选取不同升温速率进行非等温扫描，选取的升温速率分别为2,5,10,20,30°C·min-1,扫描温度范围为25-250℃。仪器记录的是单位质量样品的固化热焓随时间的变化关系。

3

课题主要任务和研究路线

4

课题工作计划

2015.1.10-12：毕业设计选题

2015.1.13：动员大会，师生联系见面

2015.1.14-20：教师下发毕业设计任务书

2015.3.2-13：学生返校，查阅文献，开题

2015.3.20：开题报告和外文翻译定稿

2015.4.6-17：中期检查，上交报告

2015.6.1-5：论文定稿，上交毕业设计资料

2015.6.15-16：答辩

2015.6.22-24：推优答辩，毕业设计资料完善存档

参考文献

[1]陈建剑.

石墨烯改善环氧树脂基/碳纤维复合材料界面性能的研究[D].江南大学,2012.

[2]王永凯.

石墨烯/环氧树脂基复合材料的制备与性能研究[D].郑州大学,2013.

[3]宋洪松,杨程,刘大博.

石墨烯/环氧树脂复合材料的介电性能研究[J].

功能材料,2012,09:1185-1188.

[4]谢卫刚,赵东林,景磊,张凡.

石墨烯/环氧树脂复合材料的制备与力学性能[J].

高分子材料科学与工程,2012,09:129-132.

[5]黄东.

石墨烯/环氧树脂复合材料的制备与性能研究[D].天津大学,2010.

[6]韩韬.

石墨烯环氧树脂复合材料的制备及性能研究[D].北京化工大学,2012.

[7]王学宝,李晋庆,罗运军.

石墨烯/环氧树脂复合材料的制备及力学性能[J].

高分子材料科学与工程,2013,07:161-165.

[8]王舟.

环氧树脂/氧化石墨烯纳米复合材料的制备和表征[D].北京化工大学,2010.

[9]许丹.

石墨烯微片增强环氧树脂复合材料性能研究[D].北京化工大学,2013.

[10]陈建剑,俞科静,钱坤,曹海建,郏余晨.

石墨烯改性环氧树脂/碳纤维复合材料拉伸性能的研究[J].

化工新型材料,2012,09:63-65+71.

[11]孙长智.

石墨/环氧树脂复合材料的制备及性能研究[D].武汉理工大学,2011.

[1]Xin

Wang;Lei

Song;Wiwat

Pornwannchai;Yuan

Hu;Baljinder

Kandola.The

effect

of

graphene

presence

in

flame

retarded

epoxy

resin

matrix

on

the

mechanical

and

flammability

properties

of

glass

fiber-reinforced

composites[J].

Composites

Part

A:

Applied

Science

and

Manufacturing.2013.

[2]Bryan

Chu;Johnson

Samuel;1;Nikhil

Koratkar.Micromilling

Responses

of

Hierarchical

Graphene

Composites[J].

Journal

of

Manufacturing

Science

and

Engineering.2015.

[3]Shraddha

Singh;V.

K.

Srivastava;Rajiv

Prakash.Influences

of

carbon

nanofillers

on

mechanical

performance

of

epoxy

resin

polymer[J].

Applied

Nanoscience.2015.

[4]Cen

Zeng;Shaorong

Lu;Xiane

Xiao;Jian

Gao;Lulu

Pan;Zihai

He;Jinhong

Yu.Enhanced

thermal

and

mechanical

properties

of

epoxy

composites

by

mixing

noncovalently

functionalized

graphene

sheets[J].

Polymer

Bulletin.2015.

[5]Fengdan

Liu

and

Kunkun

Guo.Reinforcing

epoxy

resin

through

covalent

integration

of

functionalized

graphene

nanosheets[J].

Polymers

for

Advanced

Technologies.2014.

指导教师评语：

签

名：*年*月*日

-6-

湖北汽车工业学院毕业（论文）开题报告

-

7

-