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石墨烯改性耐烧蚀酚醛树脂基复合材料性能的影响研究

摘要

酚醛树脂材料具有比模量大、比强度高、质量轻、耐腐蚀性能好、热稳定性强等诸

多优点，被广泛应用于汽车、能源、航空航天以及生物医疗等多个研究领域。随着科学

技术的不断发展，对酚醛树脂材料的应用性能和领域提出了更高的要求。目前提升酚醛

树脂性能的方式是在其基体内添加增强体，但这会受到增强体含量的约束。因此，从最

优添加量和综合性能的角度考虑，本文以小粒径的还原氧化石墨烯作为增强体，旨在改

性酚醛树脂的综合性能。机械搅拌可以实现石墨烯粉体在酚醛树脂基体内的均匀分散，

从而有效提升复合材料的综合性能。适量添加石墨烯不仅能显著提高复合材料的性能，

还能增强热处理后石墨化碳结构的有序性。

首先，本研究对所用的增强体填料还原氧化石墨烯进行结构表征。通过SEM、TEM、

SAED、XPS以及拉曼光谱分析其结构和表面缺陷等性质。结果表明，石墨烯有着少层

结构和较好的表面质量。然后，将石墨烯粉体与酚醛树脂进行熔融共混，形成混合物。

石墨烯的共轭作用导致其在树脂基体内易趋向于团聚。通过宏观观察和微观表征分析能

够得知其在内部的分散程度，而通过紫外-分光光度计测试混合液透光度能够侧面验证

树脂基体中石墨烯粉体的分散性，并且还研究分析了透光率变化的分散性评估机理。

其次，在分散性良好的基础上，本研究使用热压成型工艺的方式对还原氧化石墨烯

/酚醛树脂复合材料进行制备。采用多种测试方法探究了还原氧化石墨烯的添加以及含

量变化对酚醛树脂复合材料性能的影响规律。结果表明，分散性的良好还原氧化石墨烯

粉体对酚醛树脂复合材料性能提升明显。最佳含量下的还原氧化石墨烯能够将酚醛树脂

复合材料表面硬度提升至原来的1.81倍，密度提升至原来的1.55倍，压缩强度是纯酚

醛树脂材料的4.92倍，同时，材料的压缩模量也有所提高。复合材料的导电性显著变化，

导热效率也提升了45.79%。在还原氧化石墨烯/酚醛树脂复合材料性能变化的基础上，

还分析了还原氧化石墨烯对复合材料性能的增强效应，以及含量过多对材料性能造成破

坏的原因。

最后，本研究进一步探究了还原氧化石墨烯材料对酚醛树脂碳化和石墨化的影响机

理。通过拉曼图谱和XRD图谱分析了材料的石墨化碳结构。结果发现，还原氧化石墨

烯能够有效降低酚醛树脂碳化过程中碳结构的缺陷，并能够作为石墨结构的引体，在石

墨化过程中，诱导产生石墨结构并提高其有序度。通过TG测试分析了还原氧化石墨烯

对酚醛树脂复合材料耐热性能的影响。当还原氧化石墨烯的含量为0.8wt%时，还原氧

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

化石墨烯/酚醛树脂复合材料的失重5%、失重10%、最大热分解温度以及残碳量分别达

到了265℃、386℃、555℃、63%，高于纯酚醛树脂的数值。此外，碳化和石墨化对复

合材料的表面硬度也有所影响，还原氧化石墨烯能够提高热处理后的复合材料的表面硬

度，并分析了复合材料表面硬度的提高机理和碳层结构的关系。

关键词：还原氧化石墨烯；酚醛树脂；分散表征；宏观性能；碳化；石墨化

石墨烯改性耐烧蚀酚醛树脂基复合材料性能的影响研究

Abstract

Phenolicresinmaterialspossessnumerousadvantagessuchashighspecificmodulus,high

specificstrength,lightweight,excellentcorrosionresistance,andstrongthermalstability.

Consequently,theyarewidelyusedinvariousresearchfieldsincludingautomotive,energy,

aerospace,andbiomedicalapplications.Withthecontinuousdevelopmentofscienceand

technology,higherrequirementshavebeenplacedontheapplica