ABS樹脂摻雜氧化石墨烯性能研究

潘維正 史宏洋 吳方平 楊軍

摘 要：本文提出ABS樹脂摻雜氧化石墨烯作為民用無人機(jī)材料的設(shè)想，并對(duì)樣品進(jìn)行了檢測(cè)和分析。分析結(jié)果表明，ABS摻雜氧化石墨烯的復(fù)合材料在一定程度上符合民用無人機(jī)材料“輕質(zhì)高強(qiáng)”的要求，但在耐高溫方面較欠缺。

關(guān)鍵詞：無人機(jī) ABS樹脂 氧化石墨烯摻雜

中圖分類號(hào)：TQ327 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）01（a）-0091-02

自無人機(jī)出現(xiàn)后，無論是軍用還是民用，對(duì)無人機(jī)新型材料的研制便一直是材料領(lǐng)域的焦點(diǎn)。民用無人機(jī)主要應(yīng)用于航拍及娛樂、農(nóng)林、安防、電力領(lǐng)域，多旋翼無人機(jī)則是當(dāng)前消費(fèi)級(jí)小型民用無人機(jī)市場(chǎng)的熱點(diǎn)[1]。本項(xiàng)目主要著眼于民用無人機(jī)材料的探索。

由于無人機(jī)不需要考慮人的因素，因此材料的種類選擇更加多樣，最突出的特點(diǎn)是復(fù)合材料應(yīng)用比例大大提高，復(fù)合材料其用量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過有人飛機(jī)，甚至出現(xiàn)全復(fù)合材料無人機(jī)（復(fù)合材料用量達(dá)到90%以上），比如貝爾公司研制的“鷹眼”傾轉(zhuǎn)旋翼式無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)就全部采用復(fù)合材料[2]。

目前公認(rèn)的性能較為優(yōu)越的無人機(jī)復(fù)合材料是碳纖維復(fù)合材料，與傳統(tǒng)的金屬材料及復(fù)合材料相比，碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗疲勞和防鹽霧侵蝕的特性，應(yīng)用于無人機(jī)結(jié)構(gòu)中可以大大改善和提高無人機(jī)的綜合性能[3]。例如碳纖維復(fù)合材料的密度僅有鋼的1/5，鋁的3/5，但其強(qiáng)度卻是鋼的5倍，鋁的4倍，另外還有很強(qiáng)的吸振能力可以使無人機(jī)在高空飛行時(shí)快速恢復(fù)為平穩(wěn)狀態(tài)，減少突發(fā)事故的發(fā)生[4]。

與有人機(jī)一樣，無人機(jī)對(duì)材料選擇起決定因素的也是速度。民用無人機(jī)大多為低速，主要選用復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料雖然性能優(yōu)越，但由于生產(chǎn)工藝較復(fù)雜，費(fèi)用昂貴，未到大量推廣階段，一般以價(jià)格低廉、性能略差的玻璃纖維復(fù)合材料（玻璃纖維增強(qiáng)塑料）取代。玻璃纖維增強(qiáng)塑料俗稱玻璃鋼，密度只有碳鋼的1/4～1/5，拉伸強(qiáng)度卻接近甚至超過碳素鋼，強(qiáng)度可以與高級(jí)合金鋼媲美，另外耐腐蝕性能、介電性能、絕熱性能、工藝性能都較好。玻璃纖維復(fù)合材料也存在一些缺陷，如彈性模量小，剛性不足，容易變形，長(zhǎng)期耐溫性差，層間剪切強(qiáng)度低。

1 ABS樹脂摻雜氧化石墨烯的設(shè)想與制備

1.1 ABS樹脂與石墨烯的特點(diǎn)

為探索性價(jià)比更高的無人機(jī)材料，課題組通過查閱資料，發(fā)現(xiàn)未有ABS樹脂摻雜氧化石墨烯的研究。

ABS樹脂是五大合成樹脂之一，是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯組成的三元共聚物（acrylonitrile–butadiene–styrene copolymer，簡(jiǎn)稱ABS）。ABS樹脂抗沖擊性、耐熱性、耐低溫性、耐化學(xué)藥品性及電氣性能優(yōu)良，還具有易加工、制品尺寸穩(wěn)定、表面光澤性好等特點(diǎn)，容易涂裝、著色，還可以進(jìn)行表面噴鍍金屬、電鍍、焊接、熱壓和粘接等二次加工，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、電子電器、儀器儀表、紡織和建筑等工業(yè)領(lǐng)域，是一種用途極廣的熱塑性工程塑料[5]。

自2004年石墨烯（Graphene）被以機(jī)械剝離的方法制備并被揭示出獨(dú)特的物性以來，世界上物理、化學(xué)、材料、電子以及工程領(lǐng)域的科學(xué)家都對(duì)其投注了巨大的研究興趣。石墨烯是一種由單層碳原子組成的平面二維結(jié)構(gòu)，有極高的強(qiáng)度和熱導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得石墨烯的楊氏模量可達(dá)近1 TPa、熱導(dǎo)率可達(dá)3000W/（m·K），與金剛石十分接近。另外，具有良好的導(dǎo)電性、極高的電子遷移率等[6]。

1.2 石墨烯摻雜復(fù)合材料的現(xiàn)狀

美國(guó)、英國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家正在積極開展石墨烯、石墨烯全碳纖維及其復(fù)合材料的研究工作，國(guó)內(nèi)開展相關(guān)研究工作的團(tuán)隊(duì)主要有浙江大學(xué)的納米高分子高超課題組、北京航空材料研究院的石墨烯團(tuán)隊(duì)、北京理工大學(xué)曲良體課題組、中科院金屬研究所石墨烯團(tuán)隊(duì)等。雖然關(guān)于石墨烯的實(shí)驗(yàn)室研究成果令人振奮，但其全碳材料及摻雜復(fù)合材料的綜合性能遠(yuǎn)沒有達(dá)到單片石墨烯的性能，石墨烯的工業(yè)化生產(chǎn)及其在高聚物基體中的應(yīng)用還有待深入研究?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)石墨烯摻雜的研究主要是對(duì)其復(fù)合物的電學(xué)性質(zhì)的研究，較少對(duì)其力學(xué)、熱學(xué)性能的研究[7-8]。由于石墨烯成本較高，而氧化石墨烯（Graphene Oxide）作為石墨烯的重要衍生物，其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與石墨烯基本相同。針對(duì)這些情況，課題組提出ABS樹脂摻雜氧化石墨烯作為無人機(jī)材料的設(shè)想。

1.3 ABS樹脂摻雜氧化石墨烯復(fù)合材料樣品制作

課題組采用ABS與五層氧化石墨烯以180∶1的比例摻雜，委托廠家制備了純ABS樣品和摻雜樣品，并對(duì)兩種樣品進(jìn)行了分析。

2 樣品檢測(cè)結(jié)果與分析

2.1 測(cè)量結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，純ABS的硬度為46.5MPa，摻雜氧化石墨烯后為32.1MPa；純ABS的沖擊強(qiáng)度為36kJ/m2，摻雜氧化石墨烯后為65kJ/m2；純ABS和摻雜氧化石墨烯后的耐熱性不變，均為UL945VB；純ABS的熔點(diǎn)為280℃，摻雜氧化石墨烯后為220℃；純ABS的密度為1.18×103kg/m3，摻雜氧化石墨烯后為1.05×103kg/m3。

2.2 對(duì)測(cè)量結(jié)果的分析

由于氧化石墨烯是二維平面結(jié)構(gòu)，硬度較小，導(dǎo)致ABS摻雜氧化石墨烯后硬度變小，但硬度變小對(duì)無人機(jī)產(chǎn)品成型加工是有利的。由于氧化石墨烯的橋連作用，使ABS摻雜氧化石墨烯后沖擊強(qiáng)度較純ABS大大增強(qiáng)，而這有利于無人機(jī)材料“高強(qiáng)”的要求。由于氧化石墨烯是軟相，摻雜后對(duì)ABS起軟化作用，導(dǎo)致復(fù)合后熔點(diǎn)較純ABS降低，但仍高于200℃，對(duì)于除高溫環(huán)境外的一般民用無人機(jī)是影響不大的。另外，由于氧化石墨烯密度低于ABS，摻雜體密度也低于純ABS，有利于無人機(jī)材料“輕質(zhì)”的要求。

3 結(jié)語

課題組通過對(duì)目前無人機(jī)材料相關(guān)文獻(xiàn)的分析，提出ABS摻雜氧化石墨烯作為民用無人機(jī)材料的設(shè)想，委托廠家制作了樣品，并對(duì)樣品進(jìn)行了檢測(cè)和分析。分析結(jié)果表明，ABS摻雜氧化石墨烯的復(fù)合材料在一定程度上符合民用無人機(jī)材料“輕質(zhì)高強(qiáng)”的要求，但在耐高溫方面較欠缺，今后課題組將繼續(xù)對(duì)此進(jìn)行探索，以期找到性能更優(yōu)越的無人機(jī)材料。

參考文獻(xiàn)

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[2] 杜龍，李朝光，王紅飛.先進(jìn)復(fù)合材料在無人機(jī)上的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)[J].教練機(jī)，2017（2）：10-17.

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[5] ABS塑料[EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/ABS%E5%A1%91%E6%96%99/2220019？fr=aladdin.

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[7] 袁祖培，陳潔，唐俊雄，等.石墨烯摻雜聚丙烯復(fù)合材料的制備、性能及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].合成樹脂及塑料，2017（3）：88-92.

[8] 張紫萍，劉秀軍，萬菊，等.氧化石墨烯的制備及其摻雜的炭/炭復(fù)合材料導(dǎo)熱性能研究[J].炭技術(shù)，2011（30）：1-5.