改性氧化石墨烯對碳纖維織物增強復合材料界面性能的影響

張曼寧 鐘智麗 薛兆磊

天津工業(yè)大學紡織科學與工程學院，天津 300387

碳纖維輕質、高強、高模的特點可滿足其復合材料比強度大、質量輕、環(huán)境適應性強等要求。目前碳纖維織物增強復合材料在航空航天、體育器械[1-2]、交通運輸等多個領域已廣泛應用。但碳纖維表面光滑，不易與環(huán)氧樹脂等材料發(fā)生反應，導致其復合界面結合牢度較差。因此，提高碳纖維與環(huán)氧樹脂界面結合性能受到了諸多學者的關注。目前，對碳纖維進行表面改性的主要方法包括等離子體改性法[3]、接枝碳納米管[4-5]、石墨烯[6]、氣相氧化法[7]等，還有部分研究對樹脂基體進行改性[8-11]，對復合材料進行增韌處理[12]。

氧化石墨烯(GO)表面含有豐富的含氧基團，可與碳纖維和環(huán)氧樹脂發(fā)生反應[13]，起到連接碳纖維與環(huán)氧樹脂的作用，提高碳纖維織物與環(huán)氧樹脂的界面結合性。本試驗通過在碳纖維織物表面接枝經硅烷偶聯(lián)劑KH550改性的GO(簡稱KH-GO)，再采用真空輔助樹脂傳遞模塑工藝(VARTM)制備碳纖維織物增強復合材料——碳纖維織物/環(huán)氧樹脂復合材料，并通過力學性能測試評價碳纖維織物/環(huán)氧樹脂復合材料界面的結合效果。

1 試驗部分

1.1 原料及設備

試驗所用碳纖維織物為試驗室自制的碳纖維層間正交角聯(lián)鎖機織物，涉及的主要原料和設備分別如表1和表2所示。

表1 試驗原料

表2 試驗設備

1.2 工藝

1.2.1 碳纖維織物改性

在氧化石墨烯分散原液中加入蒸餾水，稀釋成質量分數為4%的氧化石墨烯水溶液；超聲分散后取100 mL的氧化石墨烯水溶液向其中加入1mL KH550并攪拌均勻，在60 ℃環(huán)境下超聲3 h，獲得改性氧化石墨烯處理液；將裁剪好的碳纖維織物(CF)浸入該處理液1 h，取出后放置在85 ℃的烘箱中，1 h后取出備用。

1.2.2 碳纖維束浸漬處理

分別將經過氧化石墨烯(GO)和KH-GO處理的碳纖維束剪成一定的長度備用。將環(huán)氧樹脂和固化劑以100∶30的質量比調配成浸漬液，將經過GO和KH-GO處理的碳纖維束放入浸漬液中，浸透后取出, 垂直懸掛24 h固化，得到氧化石墨烯處理浸膠碳纖維束(GO/C)和KH-GO處理的浸膠碳纖維束(KH-GO/C)，將未進行任何處理的碳纖維束(N/C)作為對照樣。

1.2.3 碳纖維織物增強復合材料的制備

采用VARTM工藝制備碳纖維織物增強復合材料。其中，VARTM工藝使用的設備為組內自制。將織物放入VARTM工藝設備中，開啟真空泵，檢查氣密性后注入調配好的環(huán)氧樹脂溶液，注滿后將真空袋密封好，常溫固化12 h后取出，得到碳纖維織物增強復合材料。

1.2.4 測試方法

采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察GO/C、KH-GO/C及N/C的表面形貌。在Instron3369型電子萬能試驗機上對GO/C、KH-GO/C、N/C及碳纖維織物增強復合材料試樣的力學性能進行測試，所采用測試標準見表3。

表3 力學測試及其標準

2 結果與分析

2.1 表面形貌

從圖1 SEM掃描結果可以看出：未經過處理的碳纖維束表面光滑，附著了些許雜質，經GO處理的碳纖維束上均勻包覆了GO，碳纖維束的表面粗糙度增加，但沉積的GO片層較??；經KH-GO處理的碳纖維束表面均勻附著有較大的GO片層，碳纖維束的表面粗糙度進一步增加，這有利于后續(xù)碳纖維織物增強復合材料試樣的制備。

圖1 處理與未處理碳纖維束的SEM照片

硅烷偶聯(lián)劑KH550中的伯氨基能與氧化石墨烯中的羧基發(fā)生化學反應，破壞GO材料的規(guī)整度，從而使KH550與GO片層連接[9]，出現GO片層團聚現象，最終附著在碳纖維束表面形成較大的凸起。

2.2 力學性能

2.2.1 拉伸性能

圖2 GO/C、KH-GO/C和N/C試樣的最大拉伸載荷

在制備的GO/C，KH-GO/C和N/C試樣中各取4個平行試樣進行拉伸測試，結果如圖2所示。當拉伸載荷較小時，GO/C、KH-GO/C和N/C試樣受拉伸作用發(fā)生形變，繼續(xù)增加拉伸載荷達最大時，試樣斷裂。由圖2可知，GO/C、KH-GO/C試樣的最大拉伸載荷分別為462.08 N和541.15 N，均強于N/C試樣。這是由于樹脂包覆并固化于碳纖維的表面時，二者存在結合界面。當受到外力作用時，樹脂先受力，隨后通過界面?zhèn)鬟f給碳纖維束。未經過處理的碳纖維束因表面光滑極易出現滑移脫膠的現象。GO處理可在提高碳纖維束表面粗糙度的同時增強環(huán)氧樹脂與碳纖維間的浸透吸附作用，使環(huán)氧樹脂與碳纖維表面較好地結合。當GO/C試樣受到外力作用時，片狀結構的GO起傳遞和分散作用力的作用，從而能提高GO/C試樣的整體力學性能。KH-GO/C試樣中，KH550的添加使GO團聚成更大的層狀顆粒后黏附在碳纖維束的表面，碳纖維束的粗糙度進一步提高，且KH550與環(huán)氧樹脂基團反應后形成的共價鍵可緊密連接環(huán)氧樹脂和碳纖維，這有利于增強外力傳遞的均勻性，因此，KH-GO/C試樣的最大拉伸載荷較GO/C試樣大。

圖3為GO/C、KH-GO/C和N/C試樣的最大拉伸載荷位移對比，其中，柱形表示各試樣4個平行樣的測試結果，折線表示各試樣最大拉伸載荷位移的平均值。通過與N/C試樣對比可知，GO/C試樣和KH-GO/C試樣的最大拉伸載荷位移分別提高了19.9%和47.4%。這是因為當受到外力拉伸時，N/C試樣會在拉伸過程中出現纖維抽拔現象，而經過處理的GO/C和KH-GO/C試樣，其碳纖維束表面的粗糙度因得以提升而與環(huán)氧樹脂結合得更為牢固，這有利于力的傳遞和分散，最終提高了GO/C試樣和KH-GO/C試樣的力學性能。

圖3 GO/C、KH-GO/C和N/C試樣的最大拉伸載荷位移

接下來，下文將對未處理的碳纖維增強復合材料N/C + N/C和經KH-GO處理的碳纖維增強復合材料KH-GO/C + KH-GO/C進行對比。

2.2.2 彎曲性能

分別在N/C + N/C和KH-GO/C + KH-GO/C兩種試樣上剪裁5個平行試樣用于彎曲性能測試，結果如表4，其應力-應變曲線如圖4所示。

表4 不同試樣彎曲測試結果

由表4可知，與未處理的N/C + N/C試樣相比，KH-GO/C + KH-GO/C試樣的彎曲強度提升了9.9%、彎曲模量下降了15.1%，說明KH-GO的處理能提高碳纖維織物的浸潤性，有效提高碳纖維與環(huán)氧樹脂間的界面結合力，進而提升碳纖維增強復合材料的整體強度及韌性。

由圖4可知，隨著彎曲壓力的增加，兩種碳纖維增強復合材料整體發(fā)生彈性形變，但N/C+N/C試樣在彎曲受力中內部出現損傷，外部樹脂出現裂紋，而KH-GO/C + KH-GO/C試樣在測試中未發(fā)現明顯的裂紋，也沒有造成明顯的塑性變形情況，說明KH-GO有提升碳纖維與環(huán)氧樹脂界面性能的作用。

圖4 兩種試樣彎曲測試應力-應變曲線

2.2.3 層間剪切

在N/C + N/C和KH-GO/C + KH-GO/C兩種碳纖維織物增強復合材料試樣中分別剪裁5個平行試樣用于層間剪切測試，結果如表5。

表5 試樣層間剪切測試結果

由表5可知，KH-GO/C + KH-GO/C試樣的層間剪切強度比N/C + N/C試樣提高了18.6%。測試中發(fā)現：隨著載荷的增大，N/C + N/C試樣存在嚴重的擠壓分層現象，這是因為層間剪切力由樹脂基體傳遞給碳纖維織物后發(fā)生分散；當載荷增加到一定程度時，碳纖維織物表面與環(huán)氧樹脂結合最薄弱的地方發(fā)生分離；持續(xù)增大載荷后，碳纖維織物中的紗線發(fā)生斷裂。而KH-GO的加入能提高碳纖維織物與環(huán)氧樹脂的結合牢度，同時減少應力集中現象，從而提升碳纖維織物增強復合材料的界面性能。

3 結論

本文通過對碳纖維織物進行改性處理，改善了碳纖維織物增強復合材料中織物與環(huán)氧樹脂間的界面性能。相關力學性能測試結果表明，經KH550和GO共同處理的碳纖維織物增強復合材料的彎曲強度和層間剪切強度分別提升了9.9%和18.6%，表明GO的加入提高了碳纖維織物的浸潤性及表面粗糙度，硅烷偶聯(lián)劑KH550的加入能在GO處理的基礎上進一步提高碳纖維織物增強復合材料中織物與環(huán)氧樹脂間的界面性能。