石墨烯/环氧树脂纳米导电涂膜的制备及应变感知特性研究

摘要

石墨烯因其具有优异的力学性能、室温下超高的载流子移动速率以及特殊的热性能等而广泛应用于电子设备、储能装置、传感器、太阳能电池等。除此之外，石墨烯通常也会被用作填料掺入到树脂基体中增强其性能。环氧树脂在热固性树脂材料中整体性能最好，通常用来制备复合材料、涂膜以及粘结材料等。将石墨烯与环氧树脂复合可以综合两者特性从而制备出性能优异的复合材料，应用到结构健康监测研究当中。本论文主要研究的是将石墨烯分散到环氧树脂当中，制备石墨烯/环氧树脂(GnP/EP)纳米导电涂膜，并探究其对应力变化的感知能力。
　　本论文首先优选了制备导电涂膜的原材料及制备方法。原材料分别是基体材料环氧树脂(E-51)、球磨制备的石墨烯微片(GnP-M2)、分散剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、固化剂三乙烯四胺(TETA)和乙醇。制备方法则选择预分散法。
　　主要采用四探针测试仪测试GnP/EP纳米导电涂膜的电导率，而且电导率也是导电涂膜最重要的基本参数;使用扫描电镜(SEM)观察导电涂膜的微观形貌，进而分析解释宏观电导现象;通过X射线衍射仪(XRD)分析液体剪切制备的GnP，从而判断制备效果的好坏;利用万能试验机及四探针测试仪结合测试GnP/EP纳米导电涂膜随木块及水泥砂浆基体所受应变变化的感知特性。
　　其次通过单因素试验确定涂膜基本参数种类及范围，通过正交试验测试和分析确定涂膜参数。最终确定的涂膜参数为GnP-M2（其掺量为环氧树脂的0.5wt％）、PVP(其掺量为GnP的2wt％)、TETA(其掺量为环氧树脂的22.43wt％)。且由正交试验分析可知，分散剂PVP对纳米分散体系具有重大影响。而关于涂膜工艺参数，则综合考虑涂膜质量、操作便利及节约能源等方面来确定最终的参数，即超声分散时间为1h，固化条件为室温下固化2d，在复合材料出现爬杆现象时进行涂刷。
　　最后对GnP/EP导电涂膜的应变感知能力进行了测试。首先测试了GnP/EP复合材料自身的拉伸性能(拉伸强度为40.68MPa，断裂伸长率为4.74％，弹性模量为1102.40MPa)，其次将导电涂膜涂在一定尺寸的木材及水泥砂浆试块基体预检测部位，测试其在应变逐渐增加的过程中电导率的变化，发现随着应变增加，木材基材上的GnP-M2/EP导电涂膜和水泥胶砂试块基材上的GnP-M2/EP导电涂膜的电导率均在某一数值范围内波动，呈现一定稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状与发展动态

1．2．1 石墨烯的研究现状及发展动态

1．2．2 石墨烯/聚合物纳米复合材料的研究现状

1．2．3 石墨烯/环氧树脂纳米复合材料的导电性研究现状及发展动态

1．3 主要研究内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 原材料及试验设备

2．1 原材料技术性质

2．2 试验设备

2．3 本章小结

第三章 石墨烯/环氧树脂纳米导电涂膜的制备

3．1 制备方法的选择

3．1．1 试验过程

3．1．2 结果与讨论

3．1．3 小结

3．2 纳米导电涂膜参数确定

3．2．1 单因素试验

3．2．2 正交试验

3．2．3 小结

3．3 纳米导电涂膜工艺参数确定

3．3．1 涂刷时机

3．3．2 超声时间

3．3．3 固化条件

第四章 应变感知特性研究

4．1．1 力学性能测试

4．1．2 结果与讨论

4．1．3 小结

4．2 基材应变对导电涂膜电导率的影响

4．2．1 木材基材

4．2．2 水泥胶砂基材

4．3 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论文和取得的学术成果