石墨烯改性复合材料在极端条件下的振动特性

基于实验获得的频响函数曲线，采用半功率带宽法获得的BGC在140℃老化前后的一阶固有频率和一阶阻尼系数见表2-8。

表2-8　BGC在140℃老化前后的一阶固有频率和一阶阻尼系数

为了比较添加石墨烯前后未老化复合材料的一阶固有频率（FNF）和一阶阻尼系数（FDC），将表2-8中未老化的BGC和BC的FNF和FDC进行作图对比，如图2-67所示。

图2-67　未老化的BGC和BC的一阶固有频率和一阶阻尼系数

从图2-67可以看到BGC的FNF为99.01Hz，它比BC的FNF93.98Hz提高了5.03Hz。这可能是因为石墨烯增强的梯度界面层可以将外部载荷有效地从树脂传递到纤维，导致BGC模量增大。与此相反，BGC的FDC为1.85%，它比BC的FDC（1.98%）低0.13%。先前的研究表明，低的纤维和基体黏结性能对阻尼系数有重要影响，因为低的界面刚度会使得弹性应变能在界面重新分布，从而导致界面阻尼增大。而添加石墨烯增强的BGC的界面黏结性能要优于未添加石墨烯的BC，因此BGC的阻尼系数要低于未添加石墨烯的BC的阻尼系数。

为了观测石墨烯增强的梯度界面层对复合材料热氧老化后振动性能的影响，笔者将表2-8和表2-3中在140℃老化不同时间的BGC和BC的FNF和FDC进行了性能保留率计算，结果如图2-68所示。

两种复合材料的FNF随着老化时间的延长而减小[图2-68（a）]，这可能是因为热氧老化导致复合材料基体和纤维/基体界面性能下降，进而造成复合材料的弹性模量下降。与此相反，两种复合材料的FDC都随着老化时间的延长而增大[图2-68（b）]，这是由于热氧老化导致纤维/基体界面退化造成的。然而在相同的老化条件下，BC的FNF的下降率和FDC的增加率都大于BGC。例如，在140℃下老化1200h后，BC的FNF下降率为4.4%，而BGC的下降率为1.8%。此外，三维编织复合材料的FDC增加率（26.3%）也大于石墨烯复合材料的FDC增加率（22.2%）。这是石墨烯增强的多尺度界面所起的作用。(www.xing528.com)

图2-68　BGC和BC在140℃老化的一阶固有频率保留率和一阶阻尼系数增长率与老化时间的关系

综上，石墨烯增强的多尺度界面对热氧老化下复合材料振动性能的增强机理可归结如下：

（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。