热氧环境下石墨烯改性复合材料剪切和弯曲强度变化分析

复合材料的弯曲强度和剪切强度对基体强度和纤维/基体界面结合强度比较敏感。石墨烯界面改性和未改性的复合材料的剪切强度和弯曲强度分别如图2-59（a）和（b）所示。添加了1%（质量分数）石墨烯的BGC的剪切强度从未添加前的59.86MPa增加到添加后的70.79MPa，增加了18%[图2-59（a）]。同样，弯曲强度从BC的724.01MPa增加到BGC的832.57MPa，提高了13%[图2-59（b）]。

图2-59　未老化的三维四向编织碳/石墨烯/环氧复合材料和三维四向编织碳/环氧复合材料的剪切强度和弯曲强度

图2-60（a）与（c）为未老化的BC和BGC典型的剪切强度—挠度曲线。从图2-60（a）可以看到BC试样在受到剪切力作用下，达到最大强度值后有一个大的下跌，这是由BC试样在剪切力的作用下编织纱线间出现裂纹后重新调整位置造成的，如图2-60（b）所示。而BGC的剪切强度在达到最大值后并没有出现大的下降，而是随着挠度的增加，剪切强度缓慢减小，如图2-60（c）所示。从图2-60（d）可以看到，BGC的上表面由于受压力作用有小片材料翘起，而在整个厚度方向并没有发现裂纹。对比图2-60（a）和（c）发现，BGC的剪切强度在达到最大值前出现了一段弧形上升，这说明添加了石墨烯后的BGC的断裂韧性得到了增强。

图2-60　BC和BGC的层间剪切强度—挠度曲线和短梁剪切后的侧面显微照片

为了观测石墨烯增强的梯度界面层对三维编织复合材料热氧稳定性的影响，笔者做了BC和BGC在140℃下老化不同时间后的层间剪切和弯曲试验。表2-6为BGC在140℃下老化不同时间后的层间剪切强度和弯曲强度的实验值。为了与未添加石墨烯的BC进行比较，对表2-6中的弯曲强度和剪切强度的数据进行了性能保留率计算，如图2-61所示。可以看到两种复合材料的层间剪切强度保留率和弯曲强度保留率都随着老化时间的增加而下降，这是由热氧老化导致的基体树脂和纤维/基体界面下降造成的。对比图2-61（a）和（b）发现，热氧老化对层间剪切强度的影响要大于对弯曲强度的影响，对于BC，在140℃下老化1200h的层间剪切强度保留率为70.29%，而弯曲强度保留率为79.45%。此外，相同的热氧老化条件下在纤维/基体界面间引入石墨烯的BGC的层间剪切强度保留率和弯曲强度保留率都大于未添加石墨烯的BC，这只能归结为石墨烯增强的梯度界面层有缓减界面氧化的作用。

表2-6　BGC在140℃下老化不同时间后的层间剪切强度和弯曲强度的实验值

图2-61　BC和BGC在140℃老化的层间剪切强度保留率和弯曲强度保留率与老化时间的关系

图2-62为老化前后BC和BGC在弯曲试验后沿着试样长度方向的侧面显微照片。从图中可以看到，不管在老化前还是老化后，两种复合材料试样弯曲实验后在编织纱线交汇处都产生了裂纹。对比图2-62（b）和（d）发现，BC侧面出现的裂纹数量要明显多于BGC，而且裂纹开日也比BGC更加严重。这是由两方面原因造成的：一是，从图2-62分析可知，热氧老化导致BC的界面氧化比BGC严重；二是，石墨烯超高的比表面积（＞700m2/g），毫米级的尺寸，高纵横比和二维几何形状可以使其有效地阻碍微裂纹在纤维/基体界面的传播。(www.xing528.com)

图2-62　老化前和在140℃老化1200h后的BC和BGC在弯曲试验后沿着试样长度方向的侧面显微照片

综合以上对石墨烯增强界面层各种性能的分析，在热氧老化条件下石墨烯增强复合材料界面的机理可归结如下：

（1）由热还原氧化石墨制得的石墨烯，它们中含有剩余的羟基和含氧官能团会和环氧树脂形成共价键，增强界面黏结性能。而强的界面黏结性能可以减缓氧气沿界面向复合材料内部扩散的速率，减弱界面氧化。

（2）石墨烯增强的梯度界面层的热导率低于碳纤维而高于环氧树脂，这种梯度导热层可以有效地转移界面热应力，减弱界面的破坏。

（3）吸附了石墨烯的碳纤维表面变得粗糙，它可以增加界面摩擦，在热氧老化导致界面黏结性能下降的情况下，依然可以起到限制界面不同相运动的作用。

（4）石墨烯超高的比表面积（＞700m2/g），毫米级的尺寸，高纵横比和二维几何形状可以使其有效地阻碍微裂纹在纤维/基体界面的传播。