石墨烯增强GFRP层合板的力学性能与分析

摘要

玻璃纤维增强聚合物因其优良的性能被广泛应用于各种领域。为了进一步提高GFRP层合板的性能，可以通过引入填充材料与其他材料结合，获得更好的性能。开发具有更好性能的先进复合材料是至关重要的，特别是具有较轻的重量但具有较好的拉伸和弯曲性能的复合材料是当前的需要。当层压板层以不同角度堆叠时，叠层称为层压板。连续纤维复合材料通常是层压材料，其中单独的层、层或薄片定向的方向将增强主载荷方向的强度。在我们的论文工作中，我们将不同比例的石墨烯添加到GFRP复合材料层压板中，以提高其强度和力学性能。然后将根据ASTM标准对GFRP层压板进行拉伸和弯曲试验，以测试这些性能。拉伸试验和弯曲试验的ASTM值分别使用D3039和D7264。通过这些拉伸和弯曲性能，研究了石墨烯的加入对材料性能的影响。这将有助于我们了解石墨烯粉末改善GFRP层合板力学性能的能力。

关键字

玻璃纤维，玻璃钢层压板，石墨烯，复合材料，强度

简介

在当今世界，几十年来技术不断改进。甚至在为不同用途生产的材料方面也有改进和进步。回顾过去，传统材料如金属被用于各种应用，由于材料科学的进步，传统材料正在被复合材料所取代聚合物复合材料起着至关重要的作用。由于其优异的性能，它们被应用于许多领域。与传统材料相比，它们具有高强度比、低密度等优点，最重要的是制造过程非常简单，非常容易。

纤维增强聚合物(FRP)是一种重要的材料工程应用因为它有很高的刚度，它有很高的强度，它有良好的热学和化学性能，而且它更便宜。现在的玻璃纤维(GF)由于其优异的性能，如它是一种轻质材料，由于这一原因它的价格较低，被广泛用于聚合物复合材料的增强。在玻璃纤维增强聚合物(GFRP)中，玻璃纤维(GF)以随机的方式排列，将其压扁成片状(切碎的纤维垫)，或以编织成织物的形式。GF由不同类型的玻璃组成，取决于玻璃纤维的使用情况。所有的玻璃都含有硅/硅酸盐，以及不同数量的镁、钙氧化物和典型的化学元素。

石墨烯因其独特和更好的机械性能，电而且热性能．石墨烯被认为是环氧树脂的完美填料，因为它的有用基团，如羟基，甚至羧基，可以与环氧树脂反应，以获得环氧树脂和石墨烯之间更好的附着力。

实验的细节

本课题以GF作为环氧树脂的增强材料，石墨烯粉作为填充材料，对GFRP复合材料的力学性能进行了研究。本文研究了石墨烯粉末提高GFRP层合板力学性能的能力。对三种处理和对照进行了调查。处理方法是在GFRP中添加1%的石墨烯粉末，同样添加3%和5%。这些处理将在拉伸和弯曲性能方面进行研究。研究了石墨烯在GFRP层合板中添加对力学性能的影响。

文献调查

陈娟评价了石墨烯与石墨烯共价接枝改善GFRP复合材料界面性能的效果。采用真空成型技术，采用氧化石墨烯接枝GF制备GFRP复合材料[1］．通过原子力显微镜、透射电镜和扫描电镜观察了氧化石墨烯薄片的形貌结构。TEM图像显示床单起皱。从AFM图像可以看出，GF上氧化石墨烯薄片的厚度合适。扫描电镜结果表明，氧化石墨烯薄膜对GF表面进行了固定。氧化石墨烯接枝GF复合材料的层间剪切强度(ILSS)较GFRP增强。

东岩L合成石墨烯/纤维素晶须纸制备环氧树脂夹层膜，并对其性能进行了研究。采用超声波法制备石墨烯/纤维素纳米微丝剂[2］．采用浸涂法制备环氧树脂夹层。对制备的薄膜进行拉伸试验和热分析。采用x射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对制备的复合膜的截面形貌进行了表征。XRD图谱显示，环氧树脂中存在Gn/纤维素纳米惠胶。扫描电镜观察到Gn/纤维素纳米胶在环氧树脂中的粘结效果较好。由于Gn/纤维素纳米微晶剂的存在，夹芯膜的拉伸强度有所提高。夹芯薄膜的玻璃透射温度

沈晓军研究了GFRP低温ILSS的改进。制备了不同质量分数氧化石墨烯的GFRP复合材料[3.］．获得了层间断裂表面的扫描电镜图像。制备的复合材料的低温ILSS得到了一定程度的提高。但也观察到，进一步增加氧化石墨烯含量会降低ILSS，因为GF和环氧键的削弱，主要是氧化石墨烯的团聚。即使从扫描电镜图像观察，断口表面也是光滑均匀的。

M Sudheer用PTW/石墨复合填料评价了GFRP的机械磨损性能。采用真空袋技术，采用不同重量分数的PTW/石墨复合填料[4］．制备的复合材料试样进行了硬度、拉伸、弯曲和磨损研究。在扫描电镜下观察断裂表面。与GFRP/PTW或GFRP/石墨相比，PTW/石墨复合材料的抗拉强度有所提高，密度和洛氏硬度值随PTW/石墨填充材料wt分数的增加而增加[5］．拉伸试验表明，复合材料的断裂主要是由于纤维的断裂和基体的塑性变形。针盘磨损试验显示磨损量随正常增加而减少负载应用和滑动速度[6］．所制备的PTW和石墨复合材料的耐磨性较高。扫描电镜观察磨损表面形貌，滑动方向有小凹槽[7］．磨损碎片显示，发生粘连磨损和疲劳磨损，对应的类型性能较差。

复合材料的制造过程

复合材料的制造是将聚合树脂体系与纤维增强相结合。由于纤维的取向对复合材料的最终性能至关重要，因此制造工艺对于将纤维对准所需的方向至关重要[8］．良好的制造工艺将生产出更高、均匀的纤维体积分数，同时经济地生产出大量零件，并具有可重复的尺寸公差。

项目目标

•研究石墨烯粉末(填充材料)增强GFRP复合材料力学性能的能力。

•将1%的石墨烯粉末添加到GFRP中，并将其添加到3%和5%。

•这些将在力学性能方面进行研究。

•研究了石墨烯在GFRP层压板中的添加效果，并注意到力学性能的改善。

方法

本研究采用以下方法

GFRP试样制作

•进行测试的样品采用手工堆垛工艺制作。研究了不同类型的GFRP复合材料层合板。通过添加不同百分比的石墨烯，即1%、3%和5%，进行制备。

•使用UTM对试件进行拉伸和弯曲试验。

GFRP试件的制作

采用手工铺层工艺在室温下制备了复合材料层合板。为了避免材料中的空隙，保持均匀性和保持均匀的厚度，在层压板的制造过程中采取了适当的小心措施[9］．

手工堆焊工艺

手工铺层技术被用于制作标本，按照步骤图1．在铺设聚四氟乙烯模具之前，先使用脱模剂(石蜡)，以确保将层压片从模具中顺利去除，并避免其与模具粘连[10］．每个试样的纤维与基体的重量比保持在65:35。用刷子将树脂浸渍在纤维中。

GFRP的制作工艺

在市场上，双织布的标准厚度为0.3毫米厚度;然后根据尺寸和形状的要求切割出双梭织布。这些裁好的7层布料被取下来，一层放在另一层上面，使厚度保持在ASTM标准的2mm。环氧树脂是手工涂覆在每一层板材上。

聚合的过程称为“固化”，固化可以通过温度控制和调节，甚至可以通过树脂和固化剂的选择来控制。这个过程可能需要几分钟，也可能长达数小时。在固化期间加热对配方有一些好处;然而，其他的只是需要时间和足够的温度。抽真空是为了去除层间的空气陷阱。后期室内固化完成[11］．在抽真空和室内固化后，将材料置于欧文炉中，在1000ºC的温度下长达2小时进行后固化。经过固化处理后即固化材料被切割成所需的尺寸和形状，根据ASTM标准的步骤，在图2．

加工GFRP的切割

高进动钢锯用于根据ASTM标准要求的尺寸切割预制玻璃钢。动力钢锯也被称为电动钢锯。它是由电动马达驱动的。一些动力钢锯是固定的，一些是便携式的。通常固定式机器会有不同的机构;一些有泵循环冷却剂，以防止锯片过热，另一些有抬起锯片，而它是在返回行程，通常，这些刀片可以安装与齿朝向或远离手柄，导致在推或拉行程的切割动作。

这里使用的是固定的电锯。制作好的玻璃钢用台钳支撑，钢锯条应朝向玻璃钢。进动切割是根据ASTM标准的尺寸进行的。

复合材料层合板的力学试验

采用计算机万能试验机对制备好的GFRP层压板进行了力学测试。它有两个十字头;一个用于调整试件的长度，另一个用于对试件施加拉力[12］．有两种，一种是液压驱动，另一种是电磁驱动。

玻璃纤维增强环氧复合材料的力学性能，如极限抗拉强度(UTS)、杨氏模量、弯曲强度(FS)、弯曲模量，均由通用试验机(UTM)根据美国材料试验协会(ASTM)试样制备标准进行试验计算[13］．UTM规范显示在表1．

表1。万能试验机规格。

复合材料拉伸试验

本文采用6个拉伸试样进行不同比例的拉伸试验。在任何层压板中，如果拉伸力沿纤维方向，则认为具有较高的轴向强度。拉伸试样的总长度保持在250毫米，宽度为25毫米，厚度为2毫米[14］．GFRP拉伸试样如图所示。拉伸试样用如图所示的楔动握把放在万能试验机中，以4 mm/min的推荐横头速度拉伸，对应的应变速率为0.2%/秒。

拉伸试验试样的尺寸从ASTM D3039获得，弯曲试验试样的尺寸从ASTM D7264获得，如图所示图3．

复合材料弯曲试验(三点弯曲试验)

目前普遍采用三点弯曲试验对试件进行弯曲试验。为确定断裂韧性/剪切强度，进行了三点弯曲试验。甚至是为了找出它的机械特性。共制作6个尺寸为140 × 25 × 2 mm的试样[15］．GFRP抗弯试验层板是用金刚石锯从面板上切割下来的，以确保层板不产生应力，从而不影响抗弯试验性能(图4)．层合板按照ASTM标准D7264制备，在恒定加载速率为2mm /min的情况下进行中心加载弯曲试验。很少有试件被评估到弹性极限，直到遇到破坏[16］．

使用公式

极限抗拉强度(UTS)

UTS (σ)和杨氏模量分别用公式5.1和公式5.2计算(图5)．

(5.1)

在牛顿坐标系中，P是最大载荷

“A”是单位为毫米的面积²

应变(ε) =长度变化量/原始长度

(5.2)

抗弯强度

复合材料的弯曲强度、应变和弯曲模量分别由公式5.3、5、4和5.5确定(图6)

(5.3)

b)应变(5.4)

c)弯曲模量(5.5)

P是N的峰值负荷

L是跨度长度，单位为mm

“b”为试样的宽度，单位为mm

“d”为试样厚度，单位为mm

“D”是空载条件下的挠度，单位为mm

结果及讨论

GFRP复合材料拉伸试验结果

拉伸试验采用ASTM D3039标准对GFRP进行。得到了层压板的抗拉强度，试验结果见表2．下表记录了原始规尺寸，并分别记录了其相应的长度变化，从而计算了伸长率图7 a-7c．

表2。石墨烯GFRP层合板拉伸试验结果。

拉伸试验讨论

通过对GFRP复合材料进行拉伸试验，发现图8GFRP的抗拉强度呈线性增加。比较是在增加百分比的基础上进行的，即石墨烯1%，3%和5%。在这种情况下，强度呈线性增加。

GFRP复合材料抗弯试验结果

为了解层合板的抗弯强度，进行了弯曲试验。试验按照ASTM标准D7264进行。通过三点弯曲试验获得GFRP复合材料的抗弯强度(图9)．对GFRP复合材料进行了这些试验，直到注意到试件的破坏。结果显示在表3．

表3。石墨烯GFRP层合板弯曲试验结果。

弯曲试验讨论

对GFRP复合材料进行抗弯试验后，由表3可知，GFRP的抗弯强度呈线性增加趋势。比较是在石墨烯含量增加的基础上进行的。这里石墨烯含量也从1%线性增加到5%。甚至发现，5%石墨烯的抗弯强度是其中最高的。

GFRP复合材料的弯曲试验

从图10可以观察到，在垂直中心荷载作用的上层，该层经历压缩，而对面层经历膨胀。还观察到，断裂发生在受膨胀作用的外层。

结论

纤维增强复合材料是航空航天、汽车、船舶、建筑和建筑行业蓬勃发展的材料之一。其中，玻璃纤维因其良好的力学性能在纤维增强复合材料中占有重要地位。本章是根据GFRP复合材料的试验结果得出的结论。通过拉伸和弯曲试验进行了研究。

•拉伸试验研究发现，随着石墨烯添加量的增加，GFRP层合板的拉伸强度呈线性增加，从1%到5%。

•三点弯曲试验结果表明，随着石墨烯添加量从1%增加到5%，GFRP层合板的抗弯强度逐渐增加。

•本文研究了石墨烯粉末改善GFRP层压板力学性能的能力。

这项工作的主要目的是通过添加1%的石墨烯来研究GFRP层压板的力学性能，并对添加3%和5%的石墨烯进行了同样的研究。结果表明，石墨烯的加入使GFRP层压板的抗拉强度和抗弯强度随石墨烯含量的增加而增加。

未来工作范围

目前的工作包括将石墨烯添加到GFRP层压板中。此外，添加5%石墨烯的GFRP层压板在拉伸和弯曲强度方面有显著提高。但是，今后的工作范围可以深入研究和探讨。

•碳纳米管加入到GFRP层压板和性能可以审查。

•同样的特性可以与凯夫拉基层压板进行审查。

•此外，可以用石墨烯作为填充材料测试GFRP夹层板的性能。

•可以对GFRP板进行低速冲击试验，以检查添加石墨烯后的冲击强度。

•压缩研究可以在添加石墨烯的GFRP层压板上进行。

通过添加纳米填料，可以进行基于三明治的力学测试。

参考文献

1. Juan C，等。用氧化石墨烯改性玻璃纤维:迈向高性能聚合物复合材料。材料科学与工程学报，2014;29(3):344 - 344。
2. 刘东燕，等。环氧树脂与石墨烯/纤维素纳米晶须纸夹膜的合成及性能。复合材料:Part A. 2016; 84:87-95。
3. 沈晓军，等。氧化石墨烯提高玻璃织物/环氧复合材料的低温层间剪切强度。复合材料:Part B. 2015; 73:126-131
4. Sudheer M，等。PTW/石墨杂化填料增强环氧树脂/玻璃复合材料的机械和磨损性能。材料科学与工程，2014;
5. 纪旭强，等。石墨烯/聚合物复合纤维的功能化、结构与性能研究进展。J复合材料，2016。
6. Nicholas TK，等。石墨烯在阻燃环氧树脂基体中的存在对玻璃纤维增强复合材料力学性能和可燃性的影响。复合材料，2013;588-596。
7. 王鑫，等。石墨烯薄片增强玻璃纤维/环氧复合材料的层间增强。复合材料。2015;82 - 92。
8. Haroon M，等。电泳沉积氧化石墨烯增强玻璃纤维/环氧复合材料界面附着力。材料科学与工程，2016;
9. 田明伟，等。提高再生纤维素/石墨烯复合纤维的力学性能和热性能。碳水化合物Polymers.2014; 111:456 - 462。
10. Sharmila TKB，等。环氧树脂和还原氧化石墨烯/氧化铁杂化复合材料的力学、热和介电性能。
11. 晶晶J，等。三维网络石墨烯夹层在纤维增强复合材料中具有优异的层间韧性和强度。碳。
12. 库马尔KN，等。粉煤灰增强玻璃纤维聚合物基复合材料力学性能的实验研究。2 .清华大学学报(自然科学版)，2013;
13. 桑杰先生，等。天然玻璃纤维增强聚合物杂化复合材料力学性能研究进展。《今日材料》，2015。
14. Channabasavaraju S，等。聚合物基复合材料拉伸和弯曲性能的评价。中国机械工程学报，2013;23(3):366 - 366。
15. Prusty RK等。cnt填充玻璃/环氧复合材料在强调温度变化的原位环境中的弯曲行为。复合材料Part-B.2015; 83:166 - 174。
16. Haneefa，等。短香蕉/玻璃杂化纤维增强聚苯乙烯复合材料的拉伸和弯曲性能研究。42.中国机械工程学报。2008;