摘要：本次实验使用E51环氧树脂与质量分数分别为0，0.1%、0.2%、0.5%、1.0%的微米石墨粉加入到环氧树脂中混合，通过搅拌器使微米石墨粉均匀混合在环氧树脂中，加入二乙烯三胺固化剂（10?wt%）和适量丙酮，抽真空后，浇注到相应的模具中，然后放到真空干燥箱内固化，最终制得微米石墨粉/环氧树脂复合材料。实验采用微机控制电子万能试验机、电液伺服疲劳试验机、摆锤式冲击试验机、塑料洛氏硬度计等测试仪器对制备的微米石墨粉/环氧树脂复合材料进行性能测试。
关键词：微米石墨烯；环氧树脂；复合材料；性能研究
前言
环氧树脂是一种典型的交联的热固性聚合物材料，具有良好的稳定性、机械性能和粘接能力，并且收缩率比较低，应用领域广泛，包括土建材料、胶黏剂、涂料等，是一种重要的热固性树脂。环氧树脂具有优异的工艺性能、力学性能和物理性能，因而在涂料、胶粘剂和电子封装材料等领域中得到广泛应用。环氧树脂应用技术的发展与固化剂的结构和品质密切相关[1]。但环氧树脂中特有的分子结构、较高的交联密度，导致固化材料脆性大，受到冲击容易被破坏或者产生微小的裂纹。随着社会的发展，生产生活和军事领域对高性能的环氧树脂需求不断增多，制备高性能的环氧树脂复合材料成为材料研究领域的重要问题。当前，在环氧树脂中已经通过微米石墨粉的纳入，制备相应的复合材料，逐渐代替传统材料。但在提高部分性能的同时，也降低了其他一些性能，协同增强作用有限，限制了微米石墨粉在要求多方面高性能领域的应用。
1 国内外研究概况及发展趋势
1.1 国内研究现状
在石墨烯研究基础上[2]，科研工作者制备了一些具有特殊物理、化学结构的石墨烯。国家纳米科学中心的韩宝航发展了一种可放大且适用范围广的多孔石墨烯制备方法，将石墨烯氧化物和金属氧酸盐或多金属氧酸盐在高温条件下产生石墨烯与金属氧化物纳米颗粒，两者之间发生类似于焦炭高炉炼铁过程中的碳热还原反应，金属氧化物被石墨烯上的碳还原成金属或形成金属碳化物，而参与碳热还原反应的碳原子以CO2或CO形式离开石墨烯片层，从而在石墨烯片层上刻蚀出纳米级的孔隙，即形成多孔石墨烯[3]。
按照一定工艺制备出的氧化石墨烯/ 环氧树脂复合材料的性能, 比纯环氧树脂的性能要大大增强[4]。在环氧树脂添加少量石墨烯，改进纯环氧树脂的热导率较低、线胀系数较大，热稳定性较差的缺点。张波等[5]研究了石墨烯环氧树脂纳米复合材料的热失重数据,有关数据列于表1。
表 1 石墨烯环氧树脂纳米复合材料TG数据
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由表1可见，石墨烯环氧树脂纳米复合材料的残渣量为 20%，而环氧树脂的相应值为 12.7%，说明,复合材料的耐灼烧性高于普通环氧树脂。他们还用锥形量热仪研究了材料的火灾危险性，锥形量热仪(这是一种通用的测试材料火灾危险性的仪器) 研究了石墨烯改性环氧树脂的燃烧性，该仪器可通过测出材料热释放速率峰值（PHRR）、总热释放速率（THR）等来评估材料的火灾危险性。试验表明, 纯环氧树脂的 PHRR 高达 1344 kW/m2。加入石墨烯后，石墨烯/环氧树脂复合材料，由于石墨烯的阻隔作用阻碍了氧气进入环氧基体中引发进一步地燃烧，以及热量的释放，使PHRR 降至893 kW/m2，降幅达到33.6%,其THR值从88.8 MJ/m2降至78.2 MJ/m2，这可归因于石墨烯的片层阻隔作用，催化成炭，降低了环氧基体的燃烧过程。
1.2 国外研究现状
德国德累斯顿工业大学冯新亮教授团队报道了具有非平面几何结构和轴向手性的新型阳离子氮掺杂纳米石墨烯（CNDNs）的设计与合成，并通过单晶X射线分析揭示了其螺旋和凹陷结构[6]。
瑞士联邦材料科学与技术实验室（EMPA）的Ruffieux1等[7]在2010年发现，通过设计石墨烯的纳米结构，使之变形为石墨烯纳米带（GNR）之后，这种材料就具有了类似半导体材料的性质。最近，他们再次做出突破，首次合成具有完美锯齿形边缘的石墨烯纳米带（ZGNR）[8]，让科学家们可以赋予石墨烯纳米带更多不同的性质。
2 研究内容
在环氧树脂中填充不同质量的微米石墨粉（以环氧树脂质量为标准，0.1%、0.2%、0.5%、1.0%），制备微米石墨粉/环氧树脂复合材料，测试制备的环氧树脂复合材料的力学性能（拉伸、疲劳、冲击、硬度），将其测试结果与纯环氧树脂复合材料的力学性能结果进行对比。
3 实验方案
3.1 原料及药品
表 2实验主要原料和药品
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3.2实验设备
根据实验要求及实验所要制备的样品条件和实验测试要求，需要用到以下设备和材料：
仪器设备：万能材料试验机、冲击试验机、电子天平、电阻仪、真空干燥箱
模具材料：玻璃板、薄膜、试样模具、脱模剂、铝箔
表 3实验主要仪器和设备
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3.3 实验步骤
3.3.1制样
1、分别以质量分数为0.1%、0.2%、0.5%、1.0%的石墨粉加入到环氧树脂中混合均匀，加入二乙烯三胺固化剂（10 wt%）和适量丙酮，搅拌均匀后开始制作样品。
2、采用浇注成型制备环氧树脂复合材料。
3、制备哑铃形试样。每种石墨粉含量做10组试样，选择其中3组做复合材料拉伸试验,3组做复合材料疲劳试验。
4、检查试样外观并对试样编号。测量哑铃形试样工作截面处宽度和厚度。宽度取三次测量的最小值，厚度取其平均值。
5、在模具表面涂敷脱模剂，将调配好的环氧树脂倒入模具中，制备复合材料冲击性能试验样品，每组3个，共15组。
6、将上述两种样品放到烘箱里面，高温固化，待固化完成后，脱模取样并修理样品。
3.3.2测量
根据实验要求，表征环氧树脂复合材料力学性能；拉伸性能的测试，试验方法参照（GB1446-83）。冲击性能的测试，试验方法参照（GB1451-83）。
3.3.3实验结果
1.拉伸性能：五组不同成分的试样拉伸性能最好的是纯环氧树脂复合材料，其拉伸强度达到了52.5MPa，弹性模量值为3279.1MPa；拉伸性能最差的是石墨粉含量为0.5%的试样，其拉伸强度值为32.9MPa，弹性模量值为2598.6MPa。
2.疲劳性能：测试结果中，疲劳性能最好的是石墨粉含量为1.0%的试样，疲劳循环次数达到了6793次，最低的是石墨粉含量为0.5%的试样，循环次数为5102，前者比后者循环次数增加了33.1%。
3．冲击性能：五组不同成分的试样的冲击性能没有明显变化。
4.洛氏硬度：硬度最小的是空白试样，洛氏硬度最大的是微米石墨粉含量1.0%的试样。但两者差别很小，而且这五组试样洛氏硬度相差很小，硬度值非常接近。
3.3.4实验结论
1.五组不同成分的试样中拉伸性能最好的是纯环氧树脂复合材料，拉伸性能最差的是石墨粉含量为0.5wt%的试样，当石墨粉的含量逐步增加到1.0%时，随着石墨粉含量的增加，试样的拉伸强度逐渐增大，如S1.0试样。
2.在疲劳性能测试结果中，试样S0.5的疲劳性能是最差的，试样S0.1的疲劳性能是最好的。且随着环氧树脂复合材料试样中微米石墨粉含量的逐步增加，复合材料试样的疲劳性能也是先降低后增加，但增加后的试样疲劳性能还是不如纯环氧树脂试样。几组实验数据说明，在环氧树脂中加入不同含量的微米石墨粉，对环氧树脂复合材料的疲劳性能并没有明显的促进作用，相反，如果在实验过程中处理不当就会导致复合材料的疲劳性能有所降低。
3.在冲击性能的测试结果中，五组添加不同含量微米石墨粉的环氧树脂复合材料试样的冲击性能没有明显变化。因此，根据所有试样的测试结果，我们可以得出结论，添加不同含量的微米石墨粉对环氧树脂复合材料的冲击性能没有大的影响。
4.在洛氏硬度的测试结果中，硬度最小的是空白试样S0，洛氏硬度最大的是试样S1.0。但两者差别很小，而且这五组试样中各自的洛氏硬度相差很小，硬度值非常接近。因此，在环氧树脂中添加不同含量的微米石墨粉，对环氧树脂复合材料的硬度基本没有影响。
综上所述，在环氧树脂中添加不同含量的微米石墨粉，环氧树脂复合材料的拉伸性能和疲劳性能没有得到提升，部分试样的性能反而不如纯环氧树脂复合材料的拉伸性能和疲劳性能。冲击性能和洛氏硬度这两项测试中，各种成分的环氧树脂复合材料性能基本上没有明显区别。
参考文献
[1] 尹浩, 李波, 刘玉亭,等.环氧树脂用聚酰胺固化剂的合成与性能[J]. 中国胶粘剂, 2016, 25(01): 9-12.
[2] 白刚, 肖伟, 高锋,等.石墨烯/环氧树脂多功能复合材料研究进展[J]. 宇航材料工艺, 2019, 49(01): 1-8.
[3] Zhou D, Cui Y, Xiao P W, et al. A general and scalable synthesis approach to porous graphene[J]. Nature Communications, 2014, 5: 4716.
[4] 冯懿. 氧化石墨烯/环氧树脂复合材料的制备工艺及性能研究[J]. 化工管理, 2018, (28): 186-187.
[5] 张波, 曾文茹. 石墨烯#环氧树脂复合材料的制备和阻燃性能的研究[J]. 火灾科学, 2014, 23(04): 233-237.
作者简介：毛丹颖（1999-07-20），女，汉族，籍贯：浙江义乌，学历：本科在读，研究方向：复合材料。