關(guān)則琛 161202105413 畢業(yè)論文定稿1版 5月11號

氧化石墨烯摻量下碳纖維復(fù)合材料層合板的力學(xué)性能測試氧化石墨烯摻量下碳纖維復(fù)合材料層合板的力學(xué)性能測試摘要：碳纖維復(fù)合材料是科技發(fā)展所需要的重要材料，氧化石墨烯對環(huán)氧樹脂基的碳纖維復(fù)合材料具有增強(qiáng)作用。本文通過實踐探索得到了一套制作氧化石墨烯摻量下碳纖維復(fù)合材料層合板的手工工藝，擬運(yùn)用電子萬能材料試驗機(jī)對使用該手工工藝制作出來的碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行拉伸試驗，分析了氧化石墨烯對碳纖維的增強(qiáng)作用機(jī)理以及預(yù)測了對應(yīng)不同濃度下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化，為以后的實驗做好資料準(zhǔn)備。最終可以推廣氧化石墨烯在碳纖維復(fù)合材料中的應(yīng)用，以及開拓我國碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；氧化石墨烯；環(huán)氧樹脂；單軸應(yīng)力；彈性模量；屈服強(qiáng)度目錄TOC\o"1-3"\h\u73651緒論 緒論20世紀(jì)40年代，此時正值航空航天蓬勃發(fā)展的時期，其注重輕量化發(fā)展，因此便發(fā)展誕生了玻璃鋼等高強(qiáng)度比的材料，玻璃鋼由玻璃纖維與塑料組成，因此被稱作復(fù)合材料，此后人們展開了對復(fù)合材料的生產(chǎn)研究，人們不斷的試圖制作出高強(qiáng)度的纖維材料并與另一種材料結(jié)合，從而產(chǎn)生了各式各樣的復(fù)合材料，在航天航空、汽車、能源等領(lǐng)域都有應(yīng)用。綜上所述，復(fù)合材料輕量化與強(qiáng)度的開發(fā)對我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展及航空航天業(yè)起著重要推動作用。1.1碳纖維復(fù)合材料的現(xiàn)狀及發(fā)展碳纖維復(fù)合材料(CFRP)指的是以碳纖維為主體，使用其他材料加以輔助并成型的一種復(fù)合型材料。碳纖維復(fù)合材料是我們生活中普及率最高的復(fù)合材料，小到自行車、網(wǎng)球拍，大到汽車外殼、飛機(jī)外殼等都存在著大量碳纖維復(fù)合材料的使用。選擇使用碳纖維復(fù)合材料的主要原因只有一個：高比強(qiáng)度。例如飛機(jī)外殼在力學(xué)性能達(dá)到要求的情況下，對比傳統(tǒng)的合金外殼，如果使用碳纖維復(fù)合材料，將能大大減輕飛機(jī)的重量，從而減少飛機(jī)的燃料消耗，提高飛機(jī)的速度、續(xù)航能力或搭載能力。碳纖維復(fù)合材料中最主要的組成部分即是碳纖維，碳纖維是承載力的主體，因此碳纖維的發(fā)展也能直接影響到碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展。碳纖維指的是用某些特殊工藝?yán)龅奶冀z，這種碳絲具有很高的抗拉強(qiáng)度以及彈性模量。但是碳絲本身輕質(zhì)柔軟，無法直接使用。因此碳纖維一般都將加工為復(fù)合材料使用。碳纖維及碳纖維復(fù)合材料發(fā)展歷程REF_Ref13439\w\h[8]。1879年，著名發(fā)明家愛迪生在不斷測試燈泡的燈絲的過程中，利用了竹子纖維得到了最早的碳纖維絲，并試圖用于燈泡燈絲的測試。1950年，美國空軍實驗室在真空及高溫條件下，牽引拉扯有機(jī)物得到了碳纖維絲，隨后他們發(fā)現(xiàn)碳纖維的高強(qiáng)度抗拉伸能力，于是發(fā)展起碳纖維的制造和應(yīng)用。1959年，自美國發(fā)展起碳纖維行業(yè)之后，許多公司也都投入了碳纖維的研發(fā)與生產(chǎn)，其中美國聯(lián)合碳化物公司首次將黏膠纖維制成纖維素基的碳纖維，這為碳纖維的生產(chǎn)提供了新的工藝可能。1962年，日本東麗公司開始從碳纖維原絲上著手進(jìn)行研究。1966年，英國皇家航空研究所研發(fā)了一套完整的、穩(wěn)定的生產(chǎn)PAN基碳纖維工藝。此工藝生產(chǎn)出來的碳纖維強(qiáng)度和模量都很高。1969年，日本東麗公司宣布成功研制出了強(qiáng)度和模量更高的PAN碳纖維原絲。進(jìn)一步提高了碳纖維應(yīng)用范圍的可能性。隨后全世界范圍都發(fā)展起了碳纖維的生產(chǎn)與研究，之后碳纖維生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品品質(zhì)不斷提高，2014年全球碳纖維產(chǎn)能已達(dá)到12.6萬t。碳纖維以高比強(qiáng)度、高模量、可設(shè)計、防腐蝕和抗疲勞等突出特點，具有玻璃纖維所不能比擬的優(yōu)勢，已成為發(fā)展先進(jìn)武器裝備的關(guān)鍵材料。REF_Ref13439\w\h[2]如今，碳纖維復(fù)合材料的制作工藝已達(dá)到飽和與穩(wěn)定，單純的發(fā)展碳纖維與單一種材料的復(fù)合已經(jīng)無法滿足各領(lǐng)域的特殊需求。于是人們便著手于在常規(guī)碳纖維材料中摻入新的材料，以達(dá)到某一方面性能的優(yōu)化，使得碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用范圍更加廣闊。2018年，于倩倩、陳剛REF_Ref13439\w\h[3]等人對氧化石墨烯加強(qiáng)環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究，其研究結(jié)果表明在環(huán)氧樹脂中添加氧化石墨烯可以顯著增加材料的拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度。終上所述，碳纖維復(fù)合材料仍具有很高的潛力，且發(fā)展離不開嘗試與創(chuàng)新。1.2石墨烯與氧化石墨烯氧化石墨烯(Grapheneoxide簡稱GO)是石墨烯的氧化物，即石墨烯經(jīng)過強(qiáng)酸氧化后得到氧化石墨烯，表面分散有較多含氧官能團(tuán)，因此化學(xué)性質(zhì)較為活潑，表面具有較強(qiáng)的親水性，而邊緣則具有疏水性，水溶液呈現(xiàn)棕色。由于氧化工藝各不統(tǒng)一，使得氧化石墨烯攜帶有數(shù)量和類型都各不相同的官能團(tuán)，因此氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)模型沒有明確的模板，普遍被接受的結(jié)構(gòu)模型是在氧化石墨烯單片表面上分布有羥基和環(huán)氧基，邊緣分布有羧基和羰基，如圖所示：其前身石墨烯決定了氧化石墨烯大多數(shù)物理性質(zhì)：石墨烯(Graphene)是目前發(fā)現(xiàn)唯一的平面晶體材料，也是已知材料中抗拉伸強(qiáng)度最高的材料之一，石墨烯的楊氏模量可達(dá)1.0TPa，固有的拉伸強(qiáng)度為130GPa，還具有高電導(dǎo)性、高熱導(dǎo)性，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。有文獻(xiàn)表明石墨烯可有效提高復(fù)合材料的力學(xué)性能（如抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、抗老化強(qiáng)度等）、彈性、抗疲勞性、熱穩(wěn)定性和硬度等方面的性能，被看作理想的復(fù)合材料增強(qiáng)體REF_Ref13439\w\h[3]REF_Ref13439\w\h[7]。而氧化石墨烯擁有相同的物理性質(zhì)，主要區(qū)別在于化學(xué)性質(zhì)。在擁有高強(qiáng)度物理性質(zhì)的同時，氧化石墨烯表面富含含氧官能團(tuán)，這些官能團(tuán)使得氧化石墨烯具有更好的導(dǎo)電性、可溶性等，且可以根據(jù)氧化方式來改變官能團(tuán)的種類和數(shù)量從而改變這些性質(zhì)。綜上所述，氧化石墨烯是一種性能優(yōu)異的新型材料，在各領(lǐng)域都可推廣其應(yīng)用。1.3本課題研究的目的和意義碳纖維復(fù)合材料仍將是我國需要迫切發(fā)展的關(guān)鍵戰(zhàn)略材料。經(jīng)過十多年的發(fā)展，我國碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)仍處在起步發(fā)展階段，受到基礎(chǔ)薄弱、產(chǎn)業(yè)發(fā)展過慢等因素的影響，與國外相比，國內(nèi)供應(yīng)及需求仍以中低端產(chǎn)品為主。因此，迫切需要探究及創(chuàng)新，提高我國在該行業(yè)的技術(shù)及生產(chǎn)水平REF_Ref13439\w\h[1]。綜上所述，氧化石墨烯對環(huán)氧樹脂及碳纖維材料具有增強(qiáng)作用,但目前已有的研究在環(huán)氧樹脂及其他基體的強(qiáng)化作用上，因此本課題選取的探究方向為氧化石墨烯對碳纖維布的力學(xué)性能的增強(qiáng)方向。擬從實驗上用不同濃度的氧化石墨烯摻雜碳纖維復(fù)合材料，結(jié)合萬能材料實驗機(jī)探究氧化石墨烯對其力學(xué)性能的增強(qiáng)作用，若可增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，便可以推廣氧化石墨烯-碳纖維復(fù)合材料在各領(lǐng)域的應(yīng)用。2碳纖維復(fù)合材料的工藝基礎(chǔ)本課題為力學(xué)性能測試，需要得到材料即為力學(xué)性測試的目標(biāo)：不同濃度的氧化石墨烯摻量下碳纖維復(fù)合材料層合板。于是本人聯(lián)系復(fù)合材料代工廠等制作材料的商家，發(fā)現(xiàn)本課題需要的復(fù)合材料在該行業(yè)并沒有相應(yīng)的工藝以及生產(chǎn)商，簡單的來說，就是沒有人知道這個材料該怎么弄出來，也沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。正好有位同學(xué)的畢業(yè)設(shè)計是需要用到同樣的材料去做電學(xué)性能測試，且為同一個導(dǎo)師，經(jīng)過與導(dǎo)師的討論決定針對獲得該材料成立一個課題組，即本人和這位同學(xué)共同想辦法獲得這個材料。最終本課題組決定自己制作材料，并探索出一個穩(wěn)定可用的手工工藝，于是便開始查閱資料了解碳纖維復(fù)合材料的具體內(nèi)容。2.1碳纖維復(fù)合材料的類型碳纖維復(fù)合材料一般按照基體來分類、示意圖REF_Ref13439\w\h[1]如下：2.2目前普遍使用的制作工藝樹脂基復(fù)合材料（CFRP）是目前最普遍使用的碳纖維復(fù)合材料，其在全球碳纖維復(fù)合材料市場中消費(fèi)占比約為80%，CFRP技術(shù)的具體分類如下圖REF_Ref13439\w\h[1]：可見CFRP成型技術(shù)有較多種類，其中以預(yù)浸料的鋪層固化最為常見。單片預(yù)浸料是指一片碳纖維布在真空環(huán)境下完全浸入基體后的一片材料，即碳纖維布的每一根碳纖維絲與絲的間隙被填滿了基體材料，并且不存在氣泡。經(jīng)過課題組討論，由于能力，技術(shù)，資源都有限，固采用手糊成型的方法最為合適。恰好班里有一位同學(xué)為學(xué)校航模隊成員，經(jīng)了解，因航模隊日常就需要對小型飛行器做加固或修補(bǔ)處理，其中有方法即為手工碳纖維布預(yù)浸料的鋪層，本課題組經(jīng)過該同學(xué)及航模隊幫助，對環(huán)氧樹脂基（EP）的碳纖維復(fù)合材料手糊成型技術(shù)有初步的了解，層合板即為多層纖維布預(yù)浸料的貼合固化成品，并同時知道航模隊的這種制作方法僅為常規(guī)手藝，與工藝不同，手藝一般無法參與生產(chǎn)研究，工藝具有較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧鞒滩襟E，以及定量的材料和固定的方法。于是本課題組還是決定自己研究探索工藝。2.3摻入氧化石墨烯的制作工藝的探索與成果目標(biāo)：通過手工方法制作滿足實驗需求且品質(zhì)穩(wěn)定的碳纖維復(fù)合材料層合板制作方法初步來源：通過網(wǎng)上查閱資料，以及某航模隊同學(xué)的幫助，初步了解到碳纖維復(fù)合材料層合板的構(gòu)成，其為：以環(huán)氧樹脂膠為基體，碳纖維布為主體的層壓板。環(huán)氧樹脂膠又常叫工業(yè)AB膠，其為A；環(huán)氧樹脂加B；固化劑，混合后發(fā)熱凝固，本身具有較高的強(qiáng)度。簡單來說，即是用工業(yè)AB膠一層貼一層的將碳纖維布堆疊貼起來，在一定厚度間隙的平板模具下，且具有一定壓力，凝固后得到的板，即為碳纖維復(fù)合材料層合板。初次嘗試制作：擬先制作對照組，即不摻入氧化石墨烯的碳纖維層合板，因為這對摻入氧化石墨烯來說是基礎(chǔ)，也相對簡單材料：兩片亞克力板（20x20x10mm用于當(dāng)做上下表面的模具），保鮮膜（隔開模具和膠水，膠水凝固后以便撕下）辦公文具（剪刀，尺子，刻刀等）具有刻度的塑料杯和勺子（用來量取等量的A膠和B膠，確保大概1:1并且用勺子攪拌混合均勻）工業(yè)AB膠（環(huán)氧樹脂加固化劑）碳纖維布（纖維類型：經(jīng)向6k，緯向6k織物結(jié)構(gòu)：平紋單位面積質(zhì)量：400厚度：0.42mm）初次嘗試的制作過程：使用剪刀，剪出15x15的碳纖維布六片。（根據(jù)碳纖維布的厚度0.42mm，以及最終想得到的層合板厚度為3mm左右，得出六層的結(jié)論）將兩片保鮮膜較平穩(wěn)的貼合在兩片亞克力板的各一面。各取出40mlA膠和B膠，緩慢攪拌并混合均勻且攪拌至無大氣泡。其中的一塊亞克力板有保鮮膜的一面朝上，涂上量較多的AB膠，等AB膠流動鋪開到合適的尺寸。在AB膠上放上之前裁剪好的一片碳纖維布，然后再均勻涂抹一層AB膠，重復(fù)此操作直到疊完六片為止，最后在最頂面也均勻鋪一層AB膠。最后將另一塊亞克力板有保鮮膜的一面壓上去，在板中央放上1kg的重量來提供壓力，靜置24小時即等待AB膠完全固化。以上便是初次嘗試的制作流程成品結(jié)果以及現(xiàn)象分析：成品圖片：毫無疑問，這個成果是失敗品，完全不能用于實驗，現(xiàn)象總結(jié)：1，AB膠水過量了，在受到壓力的時候，由于膠水具有流動性，必然會將過量膠水?dāng)D出去，上下兩側(cè)碳纖維布之間發(fā)生了嚴(yán)重的位錯。擠壓受力不均，導(dǎo)致膠水往同一側(cè)擠壓流動，產(chǎn)生了一邊高，一邊低的結(jié)果，使成品一邊高一邊低，即上下兩面不平行。保鮮膜與固化后的材料分離異常的簡單，事實證明，不溶于AB膠的高分子或高密度光滑表面與在其表面上固化后的AB膠面分離較易。但是保鮮膜產(chǎn)生了較嚴(yán)重的問題，保鮮膜表面雖然光潔，但本身質(zhì)地輕薄，延展性好，貼到亞克力板表面的時候無法避免的會產(chǎn)生較多褶皺和氣泡，以此表面為模具做出的成品，表面也會產(chǎn)生同樣的向內(nèi)凹陷的褶皺，和一些由氣泡印出來的盆地，這對材料的力學(xué)性能是相當(dāng)不利的，因為表面向內(nèi)褶皺就相當(dāng)于裂紋的效果，會產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致材料容易斷裂。反思與改進(jìn)：AB膠不能過量，每貼一層碳纖維布都需少量且逐步添加，每次都用工具或者戴手套抹平，直到此層碳纖維布表面的膠水盈滿，且?guī)缀鯖]有下凹流動的趨勢，即可貼上下一層的碳纖維布，重復(fù)直到6層布貼滿。表面不能再用保鮮膜隔離，經(jīng)過少量AB膠滴到普通手機(jī)鋼化膜上測試，得到結(jié)果為AB膠干后可以較易與鋼化膜分離，且表面與鋼化膜一致平整光滑，固改進(jìn)方案即為改用鋼化膜做表面模具，將鋼化膜平整的貼在亞克力板上，保證鋼化膜的力學(xué)支撐。結(jié)合以上改進(jìn)方案進(jìn)行了第二次材料制作：成品圖：現(xiàn)象分析：此次改進(jìn)后得到的成品結(jié)果較為滿意，但存在以下問題：成品的上下表面只是看起來是平行的，其實還是傾斜的，使用螺旋測微計測量材料四個邊角的厚度可得知，材料上下表面雖然非常平整，但大概有2°的角度之差，肉眼無法分辨。結(jié)合第一次制作發(fā)現(xiàn)，成品厚度和制作時的壓力是無關(guān)的，也就是說厚度是無法通過壓力控制。材料近表面出現(xiàn)了少數(shù)較大氣泡的存在，且上表面的膠層非常薄弱。反思與改進(jìn)：要保證材料上下表面平行，首先就要保證模具平行，且厚度一定，想到的方法是這樣的，材料是壓在模具的中央部分，且等膠水凝固之后得到的，也就是說可以利用邊緣部分來保證模具平行，于是從廠商定制3.2mm（因為只有這個厚度廠商才能直接制作）的小亞克力方塊，且數(shù)量多，到手之后先用螺旋測微計挑選出八個厚度基本完美接近3.2mm的小亞克力方塊,利用這種小方塊墊在兩片亞克力板模具之間，且沿材料周圍的區(qū)域輻射狀擺放，就可以保證材料在模具的同一壓力下，有著同樣的厚度，即為3.2mm推測氣泡產(chǎn)生的原因：因為這次制作材料使用的AB膠量是少量且逐步添加的，也就是說碳纖維布的邊緣并沒有浸潤到AB膠，AB膠與碳纖維布是浸潤的，可能產(chǎn)生了毛細(xì)現(xiàn)象，使AB膠沿碳纖維向外延伸拓展，結(jié)合重力與模具壓力的作用，材料內(nèi)的AB膠向外擠流動，由于壓強(qiáng)關(guān)系本身有縫的地方吸入空氣，導(dǎo)致氣泡產(chǎn)生，且由于流動性和重力，使上表面更薄。擬解決方法：在貼完最后一層碳纖維布之后，對邊緣和上表面進(jìn)行過量的AB膠填充。結(jié)合以上改進(jìn)方案進(jìn)行了第三次和第四次材料制作：經(jīng)再次改進(jìn)后得到的成品結(jié)果非常滿意，如圖所示：厚度均勻，表面光潔平整，沒有大氣泡以及其他可視缺陷于是此可作為沒有浸入氧化石墨烯的對照組工藝下一步開始研究如何將氧化石墨烯溶液較好的滲入碳纖維布，以及尋找到合適的濃度梯度；經(jīng)過查閱資料和與導(dǎo)師討論，初步得到的滲入辦法為使用烘干機(jī)烘干滲入：選取的烘干機(jī)內(nèi)膽尺寸為25x25x25cm，有主動排風(fēng)及恒溫系統(tǒng)；按照8x13cm的規(guī)格裁剪碳纖維布片并分別稱重。根據(jù)每片碳纖維布量出質(zhì)量濃度占比所需的氧化石墨烯水分散液。使用10x20x10cm規(guī)格的亞克力魚缸作為容器，平穩(wěn)放入碳纖維布，并統(tǒng)一稱重，倒入對應(yīng)的氧化石墨烯水分散液，把亞克力槽放入烘干機(jī)將水分烘干。烘干機(jī)的尺寸可以容納的下2個亞克力槽同時烘干如圖所示：第一次烘干測試：采用了質(zhì)量濃度占比2%的濃度稀釋成100ml的溶液，以50°C的恒溫烘干，每一小時，肉眼觀察一次烘干情況。結(jié)果：此次烘干耗時7小時，用鑷子取出碳纖維布稱重，質(zhì)量竟然比原質(zhì)量還小，容器內(nèi)壁有附著烘干后的石墨烯殘留，結(jié)果如圖：分析與改進(jìn)：烘干時間過長，烘干效率很低，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高溫度，減少溶劑（水）的量。排除儀器故障之后，摻入了氧化石墨烯的碳纖維布比原來沒摻入氧化石墨烯的碳纖維布質(zhì)量還小，初步認(rèn)為是烘干過度的問題，于是將摻好的碳纖維布在空氣中放置10分鐘，讓其含水量恢復(fù)，再稱重得到比原來確實重了2%，證明摻入較為成果容器內(nèi)壁除了放置碳纖維布的地方，其他都有附著的氧化石墨烯殘留層，對亞克力槽清洗前后的質(zhì)量稱量，發(fā)現(xiàn)其氧化石墨烯殘留層質(zhì)量為原來溶質(zhì)的2%對于摻入碳纖維布其中的氧化石墨烯質(zhì)量影響不到5%，固可忽略不計。碳纖維布上下表面的摻入情況不一致，是碳纖維布下表面有接觸亞克力底面的作用點，但碳纖維布的單束6000根，內(nèi)表面積極大，應(yīng)當(dāng)具有很強(qiáng)的毛細(xì)作用，姑且認(rèn)定氧化石墨烯起關(guān)鍵作用的部分為滲入碳纖維束之間的部分，所以上下表面的差異先忽略不計。改進(jìn)后的烘干程序：65℃恒溫，溶液配置到50ml，3小時定時，烘干完成后取出在22℃相對濕度為60的空氣中靜置10分鐘。初次制作摻入了氧化石墨烯的碳纖維復(fù)合材料層合板：得到了6片摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%和6片摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%碳纖維布之后，采用之前同樣的手工工藝制作。成品如圖：現(xiàn)象分析及改進(jìn)：不管是1%或2%的成果，內(nèi)部都出現(xiàn)了脫層的現(xiàn)象，甚至從模具上取出的時候表面一層直接被剝離，性能明顯不合格，原因應(yīng)該是氧化石墨烯摻入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高，在碳纖維布的上表面上產(chǎn)生了一層氧化石墨烯層，此層將環(huán)氧樹脂膠水與碳纖維布隔離，意思是膠水與碳纖維布并沒有較好的接觸到，導(dǎo)致層與層之間的力學(xué)性能較差，受力容易剝離，改進(jìn)方法：采用較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度的溶液進(jìn)行摻入，找到摻入碳纖維布表面不成膜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度。改進(jìn)思路后的測試：通過質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%濃度的氧化石墨烯溶液逐步遞減0.1%的濃度并分多組烘干摻入得到：0.6%及以下濃度的氧化石墨烯溶液，摻入碳纖維布后表面并不會形成薄膜。結(jié)論：由于電子秤的精度為0.01g，無法精確得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%濃度以下的氧化石墨烯溶液，固最終采用摻入氧化石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度梯度為：0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%（wt）優(yōu)先選取了摻入氧化石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的碳纖維布，制作材料，切得到了較為滿意的成品，其成品如下圖所示：總結(jié)可得最終制作工藝：見文件：《手工制作不同濃度氧化石墨烯摻量下碳纖維復(fù)合材料層合板》3實驗原理現(xiàn)實中不存在剛體，任何材料受力后都要產(chǎn)生形變，材料在載荷作用下所表現(xiàn)的各種變化特征即為力學(xué)性能的直觀表現(xiàn)，這是材料固有的屬性。對于結(jié)構(gòu)件和零件或者用做保護(hù)外殼的材料，力學(xué)性能是其最重要的指標(biāo)。力學(xué)性能指標(biāo)有屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、截面收縮率、沖擊韌性、疲勞極限、斷裂韌性等，這些指標(biāo)是需要通過具有一定標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)試驗來測定的。本文制備的材料為碳纖維環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料屬于纖維增強(qiáng)塑料，因此，可以參考國標(biāo)REF_Ref13439\w\h[4]GB/T1447-2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗方法》進(jìn)行力學(xué)性能測試。可知，碳纖維復(fù)合材料一般進(jìn)行拉伸試驗，其測定的力學(xué)性能指標(biāo)有抗拉強(qiáng)度，最大載荷伸長率或破壞伸長率以及彈性模量。3.1單軸拉伸作用下的力學(xué)性能測試?yán)煸囼炇侵笇Υ郎y材料緩慢均勻施加軸向載荷，通過材料變化與載荷大小的對應(yīng)關(guān)系，得到材料抗拉伸強(qiáng)度的一種力學(xué)性能測試實驗。拉伸試驗普遍使用萬能試驗機(jī)進(jìn)行，這種機(jī)器可以直觀顯示當(dāng)前載荷的大小與材料的尺寸變化。拉伸試樣的尺寸需根據(jù)萬能試驗機(jī)廠家標(biāo)準(zhǔn)或者國家標(biāo)準(zhǔn)制作。進(jìn)行拉伸試驗時，材料的裝夾與校準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)確保材料僅受到軸向拉力的狀態(tài)，同時也必須保證試樣測量部分各點受力相等。試樣所受到的載荷通過力學(xué)傳感器可以在機(jī)器上動態(tài)的顯示出來，試樣產(chǎn)生的形變可以通過固定橫梁測量或者電子萬能測試機(jī)的位移編碼器反映出來，并在試驗過程中自動記錄被測試件的拉伸曲線。拉伸曲線，即曲線。通常是描述材料的力學(xué)性能最直觀的辦法。曲線的縱坐標(biāo)為載荷P，單位為牛頓（N），橫坐標(biāo)為試樣伸長變化量為，單位mm，因受到測試材料幾何尺寸的影響，通常即轉(zhuǎn)化為應(yīng)力-應(yīng)變曲線。曲線中關(guān)鍵的物理量：拉伸應(yīng)力；拉伸載荷與試樣初始截面積之比式中：—拉伸應(yīng)力（拉伸屈服應(yīng)力、拉伸斷裂應(yīng)力或拉伸強(qiáng)度），單位為兆帕（MPa）；—屈服載荷、破壞載荷或最大載荷，單位為牛頓（N）—試樣寬度，單位為毫米（mm）—試樣厚度，單位為毫米（mm）拉伸屈服應(yīng)力；拉伸過程中試樣發(fā)生應(yīng)變且應(yīng)力幾乎不變時的應(yīng)力拉伸斷裂應(yīng)力；試樣發(fā)生斷裂時的應(yīng)力拉伸強(qiáng)度；試樣斷裂前所能承受的最大應(yīng)力斷裂伸長率；材料斷裂時標(biāo)距范圍內(nèi)所產(chǎn)生的相對伸長率式中：—試樣斷裂伸長率，％—試樣拉伸斷裂時標(biāo)距內(nèi)的伸長量，單位為毫米（mm）—測量的標(biāo)距，單位為毫米（mm）拉伸彈性模量；材料在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變之比式中：—拉伸彈性模量，單位為兆帕（MPa）—載荷-變形曲線上初始直線段的載荷增量，單位為牛頓（N）—與載荷增量對應(yīng)的標(biāo)距內(nèi)的變形增量，單位為毫米（mm）泊松比；在材料的比例極限范圍內(nèi)，橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比的絕對值式中：—泊松比、—分別為與載荷增量對應(yīng)的軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變。式中：、—分別為軸向和橫向的測量標(biāo)距，單位為毫米（mm）、—分別為與載荷增量對應(yīng)的標(biāo)距和的變形增量，單位為毫米（mm）4實驗過程設(shè)計4.1待測材料的制備采用此前探索出來的工藝，按照規(guī)劃好的摻入濃度梯度，制作出摻入氧化石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%的碳纖維復(fù)合材料層合板各2片，同時準(zhǔn)備好2片同樣工藝但不摻入氧化石墨烯的空白對照組，且都經(jīng)過學(xué)校精工樓同一位老師手工操作的銑床切削，加工中心的精度為0.01mm，統(tǒng)一切削的尺寸為5x10cm，因手工工藝限制，該尺寸不符合國標(biāo)準(zhǔn)，但符合電子萬能試驗機(jī)設(shè)計的測試尺寸。4.2擬定實驗設(shè)備擬由中航通飛質(zhì)檢部提供電子萬能材料試驗機(jī)，以進(jìn)行拉伸測試。電子萬能材料試驗機(jī)是一種新型的雙空間微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)，其設(shè)計以普通萬能材料試驗機(jī)為基礎(chǔ)，加以伺服電機(jī)、微處理器、計算機(jī)和打印機(jī)等組成。具有測量范圍寬、精度高、響應(yīng)快等特點REF_Ref13439\w\h[5]。其與普通萬能材料試驗機(jī)最大的差別即為高度自動化，只需要正確裝夾好材料，啟動機(jī)器即可等待機(jī)器自動進(jìn)行拉伸測試直至材料斷裂，機(jī)器將自動記錄數(shù)據(jù)并繪制拉伸曲線，并由打印機(jī)或計算機(jī)輸出結(jié)果。中航通飛質(zhì)檢部的電子萬能材料試驗機(jī)圖：4.3預(yù)計實驗步驟校準(zhǔn)電子萬能試驗機(jī)，保證試驗機(jī)處于正常工作狀態(tài)。將各個不同摻入濃度的待測材料給予編號記號，并將表面清潔干凈。打開電子萬能試驗機(jī)的夾持裝置，將待測材料放入，并使用輔助工具保證待測材料被拉伸方向與夾持裝置的拉伸軸向保持一致。旋緊夾持裝置，保證完成整個測試且不會發(fā)生脫滑現(xiàn)象。開機(jī)進(jìn)行測試，等待結(jié)果輸出。6、參考相關(guān)資料REF_Ref13439\w\h[6]進(jìn)行結(jié)果的誤差分析。5結(jié)果預(yù)測今年因不可抗力影響，本文最終無法完成實驗。固在此進(jìn)行理論上結(jié)果分析與預(yù)測，以便后人進(jìn)行資料查閱與參考。5.1氧化石墨烯的增強(qiáng)機(jī)理分析從氧化石墨烯的化學(xué)角度分析：本身石墨烯的化學(xué)性質(zhì)并沒有過于特殊的地方，其化學(xué)性質(zhì)和石墨一樣，化學(xué)式為C（n），其網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)單元為有機(jī)材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)，均由大π鍵組成，π鍵相對普通碳碳單鍵、碳碳雙鍵或三鍵來說結(jié)合能較高，具有一定的抗腐蝕性。因此推斷氧化石墨烯并不能與碳纖維發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，從而也并不能使碳纖維絲的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)致碳纖維的力學(xué)性能增強(qiáng)。但是在烘干滲入的過程中，因含氧官能團(tuán)的活潑性質(zhì)，含氧官能團(tuán)可以和碳纖維絲上的碳單質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，最終可能導(dǎo)致氧化石墨烯一層一層的吸附在碳纖維絲上，形成一種包裹的效果。從氧化石墨烯的物理性質(zhì)上分析：在力學(xué)性能上氧化石墨烯的平面抗拉伸能力與石墨烯一致，也就是說氧化石墨烯也具有超強(qiáng)的抗拉伸能力。在加熱烘干滲入時，由于碳纖維布的一束碳絲數(shù)量約為1400根，這意味著碳纖維束具有很強(qiáng)的毛細(xì)作用，此時氧化石墨烯溶液將能輕松滲入碳纖維絲與碳纖維絲之間的縫隙，并將其中的空氣擠壓置換出來，這樣碳纖維束中的縫隙將被氧化石墨烯完全填充，并由溶液濃度直接決定填充密度。如圖所示：增強(qiáng)碳纖維的可能性推論以及圖示：結(jié)合以上分析，最有可能的增強(qiáng)形式如圖，氧化石墨烯片通過活潑官能團(tuán)的作用，導(dǎo)致氧化石墨烯以碳絲為基礎(chǔ)，不斷吸附，即形成一種加固“外表皮”，由于石墨烯抗拉伸力極強(qiáng)，這層“外表皮”也就可能具有分散碳絲受力的效果，就像我們常用的手機(jī)數(shù)據(jù)線或耳機(jī)線都有橡膠皮保護(hù)一樣。最終即能使碳纖維整體強(qiáng)度的增加。注：以上全部僅為理論推測，沒有實踐測試，僅做思路參考。5.2各個摻入濃度的材料所對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線預(yù)測分析若5.1的理論預(yù)測為符合實際的，必然會有、在有限的濃度內(nèi)，氧化石墨烯摻入的濃度越高，碳纖維得到的增強(qiáng)越強(qiáng)，對應(yīng)材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線更陡峭，即彈性模量更大，材料的強(qiáng)度更高。但碳纖維復(fù)合材料并非金屬材料，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線不一定會像金屬材料一樣明顯有多個形變階段，所幸以前有同學(xué)做過普通碳纖維復(fù)合材料板的力學(xué)性能測試，參考其測試結(jié)果的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、幾乎為直線上升，即斷裂前基本都保持在彈性形變階段。綜上所述，摻入氧化石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%的碳纖維復(fù)合材料層合板的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大體預(yù)測圖如下：6總結(jié)與展望本課題的重難點主要集中在制作不同濃度氧化石墨烯摻量下碳纖維復(fù)合材料層合板，因此總結(jié)分為以下幾點：碳纖維材料制備，仍然還需要更加穩(wěn)定可靠的工藝來制備。本文探索出的手工制作工藝還是有許多不完善的地方，是很偏向手藝的程度，因為并沒有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖龅侥z水的用量、模具的壓力、環(huán)境溫度濕度、環(huán)氧樹脂硬化時間、產(chǎn)出的孔隙率等因素的控制，最終導(dǎo)致材料的制作品質(zhì)不能穩(wěn)定。摻入氧化石墨烯的精度還有待提升。本文規(guī)劃好摻入碳纖維布內(nèi)的氧化石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度梯度為0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%，但實際上因為電子秤的精度為0.01g，且本文為小規(guī)模手工制作材料，