碳纖維復合材料因輕質高強、抗疲勞、耐腐蝕、可設計性強等一系列特性，在航空航天、汽車、船舶、能源、建筑等領域的應用與日俱增。然而，由于碳纖維表面光滑、惰性大、具有化學活性的官能團少，導致碳纖維與基體樹脂之間的界面粘結強度低，界面存在較多缺陷，往往成為復合材料的薄弱環節。中國科學院寧波材料技術與工程研究所所屬先進制造所復合材料智能制造與裝備團隊在石墨烯強韌化碳纖維復合材料關鍵技術方面取得了新進展。
在前期研究工作中發現，石墨烯納米粒子接枝到碳纖維表面可以有效提高碳纖維復合材料的界面性能(ACS Applied Materials & Interfaces, 2012,4, 1543)。為了實現石墨烯改性碳纖維的規�；肪�，采用石墨烯改性上漿劑對碳纖維表面進行改性，以提高碳纖維復合材料的界面性能。研究人員通過對石墨烯表面改性，制備出在水溶液和上漿劑中均能穩定分散的石墨烯，通過對石墨烯尺寸的分級調控，制備出了表面改性的石墨烯(如圖1)，可以穩定分散于不同的上漿劑體系中，成功實現了石墨烯在上漿劑中的穩定分散技術。通過相反轉法和自乳化法成功研發出兩種具有良好穩定性的石墨烯改性上漿劑(如圖2)，并且有效提升了碳纖維的復合材料的界面粘結性能，其界面剪切強度(IFSS)可達92.3 MPa(如圖3)，而且碳纖維的上漿率低于1.5%，飽和吸水率低于2%。采用石墨烯強韌化碳纖維，優化加工成型工藝條件，得到綜合性能優異的石墨烯強韌化碳纖維復合材料，復合材料層間剪切強度可達73.5 MPa;I型層間斷裂韌性提高幅度為33.3%。該研發成果已申請發明專利(CN 201610296461.7)。
以上工作得到了寧波市石墨烯重大科技專項(2014S10004)的大力支持。
圖1 分級改性后的石墨烯
圖2 石墨烯改性上漿劑
圖3 石墨烯含量對碳纖維復合材料IFSS性能的影響
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