极端条件下石墨烯改性复合材料的结构变化

图2-55为未老化和在140℃老化1200h后的BC和BGC试样横截面的显微照片。从图2-55（a）可以看出，未老化的BC表面纤维和树脂结合情况良好，没有裂纹。因为未老化的BGC试样表面结合情况和BC试样一样，所以图2-55中没有列出。从图2-55（b）中可以看到，在140℃老化1200h后，BC试样表面出现大量微裂纹。图2-55（d）是将图2-55（b）中的一处微裂纹放大的FE—SEM照片，可以看到纤维和基体出现明显脱黏。从图2-55（c）中可以看到，在140℃下老化1200h后，BGC表面也出现了微裂纹，然而微裂纹数量很少。将图2-55（e）和图2-55（d）比较发现，在相同的热氧老化条件下BC试样表面的微裂纹开日更加宽阔，说明石墨烯增强的多尺度界面具有抵抗热氧老化的能力。

为了进一步证明石墨烯增强的梯度界面层的抗热氧老化能力，笔者用SEM观测了老化前后的BGC和BC的界面结合情况，如图2-56所示。从图2-56（a）和（f）可以看到，未老化的BC和BGC断裂面都有树脂黏附，说明纤维和树脂黏结性能很好。然而BGC纤维与纤维之间树脂填充较满，而BC的纤维与纤维之间的空隙较多。这可能因为笔者用的石墨烯是由热还原氧化石墨制得，它们中可能含有剩余的羟基和含氧官能团，这些官能团能和环氧分子链形成共价键，进一步增强界面的黏结性能。在老化168h的BC试样[图2-56（b）]中，微裂纹沿着整个纤维/基体界面扩展；当老化360h后，树脂表面黏附的纤维减少，而且可以看到纤维拨出后留下的光滑凹槽[图2-56（c）]；随着老化时间的进一步增加，纤维与纤维之间的裂纹更加明显，而且纤维表面很少有树脂黏附[图2-56（d）和（e）]。

图2-55　未老化和在140℃老化1200h后的BC和BGC横截面的显微照片(www.xing528.com)

显著的界面退化也发生在BGC上。然而，与BC相比，添加了石墨烯的复合材料的界面损坏程度相对较弱。在老化720h后，BGC的断裂面上的纤维之间依然有树脂填充[图2-56（i）]。尽管纤维之间变得松散，但是纤维之间仍有大量树脂存在[图2-56（j）]。通过对BC和BGC的SEM照片对比发现，石墨烯增强的多尺度界面层能够提高界面的耐热氧老化能力。这有两方面的原因：首先，碳纤维/石墨烯/环氧界面黏结性能好于碳纤维/环氧界面的黏结性能，一个黏结性能好的界面可以有效地阻碍氧气向复合材料内部扩散，减缓内部纤维/基体界面的氧化。其次，T700碳纤维的轴向和径向热导率分别为环氧浇注体的555倍和61倍。因此，未在纤维/基体界面引入石墨烯的BC暴露在高温环境下时，纤维和基体之间由于导热系数的不匹配，会在纤维/基体界面产生局部热应力，从而诱发界面微裂纹的产生。而在界面引入石墨烯的BGC的导热系数比未引入石墨烯的BC提高13%。图2-53（d）已经证明，添加石墨烯后的界面碳元素从碳纤维到环氧树脂是稳步下降的，这间接地说明石墨烯增强的梯度界面层的热导率也是低于碳纤维而高于环氧基体的。这种梯度导热层可以有效地转移界面热应力，减轻界面的破坏。