基于分子动力学方法的石墨烯/聚乙烯复合材料界面剪切力学性能的研究

采用分子动力学模拟的方法进行石墨烯/聚乙烯复合材料界面剪切力学性能的研究。首先建立石墨烯/聚乙烯复合材料分子动力学模拟计算的模型,然后在300 K温度下对石墨烯进行了拉拔模拟实验,探讨石墨烯倾斜角度和层数对复合材料界面剪切力学性能的影响。模拟计算结果表明,在拔出速率为0.001 nm/fs的情况下,石墨烯25°倾斜角模型的界面剪切强度最大,比0°倾斜角模型界面剪切强度增加了39.8%,可见石墨烯倾斜角对界面剪切强度有较大的影响。在拔出速率为0.001 nm/fs和石墨烯0°倾斜角的情况下,单层、双层和三层石墨烯的聚乙烯复合材料模型的界面剪应力最大值分别为89.20、114.21和129.28 MPa,显然增加石墨烯层数能显著提高复合材料的界面剪切性能。当拔出速率为0.0005 nm/fs时,单层、双层和三层石墨烯的聚乙烯复合材料模型的剪切强度值比较接近,随着速率增加到0.001 nm/fs,三层模型剪切强度增强最大,双层模型次之,单层模型最小,然而速率超过0.001 nm/fs之后,单层模型剪切强度几乎线性增强,双层和三层模型剪切强度增强的幅度均比单层模型小,这说明拔出速率的增加使得复合材料的界面剪切强度呈现较大的提高。

石墨烯/聚乙烯复合材料致密区间密度变化的分子动力学模拟

石墨烯增强复合材料的性能受到粘结界面,致密区间等多种因素的影响。如果没有考虑到这些因素的影响,在分析石墨烯增强复合材料时可能会导致错误的结果。本文采用分子动力学模拟的方法进行石墨烯/聚乙烯复合材料致密区间密度变化的分析。首先对聚乙烯晶胞进行分子动力学计算,得到的聚乙烯晶胞密度为0.95 g/cm3,与聚乙烯实际密度吻合,然后运用该计算步骤进行石墨烯/聚乙烯复合材料的分子动力学模拟,最后通过切片的方法得出聚乙烯基体密度的变化趋势。模拟计算结果表明,石墨烯/聚乙烯复合材料的聚乙烯基体在石墨烯的作用下出现了致密的现象,在石墨烯两侧存在对称的致密区间,并且在石墨烯和聚乙烯之间存在范德华(Van der Waals)间隙,间隙的厚度为0.28 nm。致密区间中,远离石墨烯的聚乙烯密度为0.95 g/cm3,与常温常压下聚乙烯的密度一致;接近石墨烯的聚乙烯的密度出现1.5 g/cm3的峰值,是常温常压下聚乙烯密度的1.6倍。

功能化石墨烯/聚乙烯复合材料薄膜的制备及表征

采用改进Hummers法制备了氧化石墨烯(GO),并采用异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)对GO进行改性,制得功能化氧化石墨烯(IP-GO);再利用水合肼对IP-GO进行还原,制得IP-RGO纳米复合材料。最后通过溶液成型方法制备了IP-RGO/聚乙烯复合材料薄膜。用FT-IR、XRD、XPS、FE-TEM和数字高阻计研究了复合材料薄膜的结构与性能。研究表明,IP-RGO纳米复合材料上保留了异氰酸酯基团,同时GO上的含氧基团大部分被还原,恢复了导电性。IP-RGO以均匀的状态分散在聚乙烯树脂基体中;当IP-RGO添加量为4%时,IP-RGO/聚乙烯复合材料薄膜的体积电阻相比于纯PE体积电阻下降了约7个数量级,抗静电性能得到明显改善。

界面范德华作用对石墨烯/聚乙烯复合材料弹性性能的影响

本文结合细观力学和有限元法,采用代表体积单元研究石墨烯/聚乙烯复合材料的弹性性能,分析界面范德华作用对复合材料弹性性能的影响。有限元模型中,石墨烯的碳碳键采用弹簧单元模拟,基体采用实体单元,界面范德华作用采用刚度为Lennard-Jones势函数的二次导数的弹簧单元模拟。其中,范德华数量通过一个简单数学模型确定,弥补了已有研究忽视范德华数量的缺陷。本文采用三明治和嵌入式代表体积单元模型讨论了不同石墨烯尺寸和体积含量下,界面范德华作用对石墨烯/聚乙烯复合材料杨氏模量和泊松比的影响,研究表明界面范德华作用对石墨烯/聚乙烯复合材料杨氏模量影响较大,尤其对沿石墨烯厚度方向的杨氏模量提升显著,对泊松比影响较小。

石墨烯/聚乙烯复合材料的等温结晶动力学研究

采用差示扫描量热仪(DSC)探究了石墨烯(RGO)/聚乙烯(PE)复合材料的等温结晶行为。结果表明:随着结晶温度(Tc)的升高,将导致纯PE和RGO/PE复合材料的半结晶时间(t1/2)增长,结晶速率常数(K)变大;相同Tc时,RGO/PE较纯PE的绝对结晶度(Xc)更高,表明RGO对PE基体起到了异相成核作用,增加了球晶数量,导致结晶度上升。另外,采用Avrami方程较好地解析了纯PE和RGO/PE的等温结晶过程。

石墨烯/高密度聚乙烯导电复合材料的制备与表征

采用氧化还原法制备了石墨烯(GNS),采用红外光谱、透射电子显微镜对所得石墨烯进行分析和表征。采用溶液共混法制备石墨烯/聚乙烯导电复合材料,研究了材料的导电渗流行为,发现石墨烯含量越接近渗流阈值(4.3%,质量分数),随着石墨烯含量的增加,其室温电阻率减少;当质量分数为6.3%左右时,电阻率趋于稳定,约为102Ω.m。DSC分析发现加入GNS后复合材料的降温过程中结晶峰起始温度提高,说明GNS在复合材料中有成核剂的作用。

石墨填充高密度聚乙烯基复合材料导热性能的研究

选用导热系数较高的无机填料石墨对高密度聚乙烯（HDPE）进行填充改性；采用偶联剂和磨盘型力化学反应器对石墨进行表面处理，提高石墨与聚合物基体的界面相互作用；用自行研制的升温速率测定装置测试材料的导热性能，并研究材料的导热机理；用SEM观察复合材料的微观形态．实验结果表明：经偶联剂处理后，石墨在HDPE中均匀分布；测试试样的上表面温度随时间的变化可用三次多项式T=A0+A1t+A2t2＋A3t3拟会；HDPE／石墨复合材料升温速率随石墨含量增加而增大；石墨含量为35％的复合材料最大升温速率为HDPE的1.75倍．

氧化石墨烯/聚乙烯醇复合材料的制备及其阻隔性能

以层状石墨为原料制备了氧化石墨烯(GO),将其引入到聚乙烯醇(PVA)基体中,得到GO/PVA复合材料。借助X射线衍射分析和差示扫描量热分析表征了复合材料的结晶性能,使用气体渗透测试仪分析了复合材料的氢气阻隔性能。分析结果表明:当GO质量分数低于0.5%时,片层结构的GO导致PVA的结晶度增加;当GO质量分数大于0.5%时,PVA的结晶度降低。复合材料的氢气阻隔性能受到GO添加量和PVA结晶度的协同影响。

石墨烯/超高分子量聚乙烯复合材料的导电性能

采用氧化还原法制备了石墨烯(GNS),用X射线衍射(XRD)、红外光谱、透射电子显微镜对所得GNS进行了分析和表征。采用溶液混合、超声波分散的方法,制备了GNS/超高分子量聚乙烯(UHMWPE)导电复合材料,研究了材料的导电渗流行为和阻-温特性。结果表明,溶液混合法可使GNS较好地分散于UHMWPE基体中,复合材料表现出典型的导电渗流行为,其渗流阈值为3.6%(质量分数)。在大于渗流阈值的情况下,复合材料的正温度系数效应(PTC)强度随GNS含量的增加而提高;热循环使得复合材料的PTC强度有所降低。

炭黑和石墨填充聚乙烯导电复合材料电阻的外场依赖性

研究了炭黑和石墨填充高密度聚乙烯复合材料的导电性，结果表明，温度场、轴向压力场和交流电场均影响材料的导电位．对于电阻对外场的响应，外场的临界值具有明显的填料浓度依赖性．

聚乙烯/石墨阻燃复合材料的研究

研究了石墨、可膨胀石墨、膨胀石墨 /聚乙烯复合材料的阻燃性能。结果表明 ,石墨具有一定的阻燃作用 ,可膨胀石墨具有良好的阻燃效果。

改性石墨烯/高密度聚乙烯复合材料PTC性能研究

以高密度聚乙烯(HDPE)为基体,改性的石墨烯为导电填料,采用熔融法制备正温度系数(PTC)的改性石墨烯/高密度聚乙烯复合材料。通过扫描电子显微镜、热重测试仪以及拉伸测试仪等,观察改性石墨烯/高密度聚乙烯复合材的微观形貌,研究改性石墨烯含量对复合材料热稳定性的影响以及拉伸性能的影响。结果表明:石墨烯在HDPE基体中分散性较好,在室温电阻率同为18.5Ω·㎝条件下,改性前复合材料耐电压冲击为250V,改性后复合材料耐电压冲击为400V,改性后的石墨烯加入HDPE,能够明显地提高复合材料增强耐电压性能,在石墨烯用量同为8.0%(体积百分数)条件下,改性前石墨烯的复合材料拉伸强度为25.6MPa,改性后石墨烯的复合材料拉伸强度为27.7MPa,改性后的石墨烯加入HDPE,能够明显提高复合材料的拉伸强度。

聚乙烯/石墨纳米复合材料的制备、结构和导电性

用溶液插层(SI)和母料熔体混合(MMM)方法制备了聚乙烯(PE)/马来酸酐接枝聚乙烯(gPE)/膨胀石墨(EG)导电纳米复合材料,以直接熔体混合(DMM)法制备的PE/gPE/EG、PE/EG复合材料作对照,通过电导率(σ)测试,TEM、SEM、OM观察和DSC分析,研究了制备方法、EG体积或质量分数(或fm)和gPE质量含量(Cg)对复合材料结构和σ的影响。结果表明,SI、MMM、DMM法制备的Cg/fm=1 5复合材料和PE/EG对照材料的逾渗阈值c分别为2 19%、3 81%、4 68%和5 35%;当Cg/fm由1增至4时,MMM、DMM法制备的fm=9%复合材料的σ分别跃升12和8个数量级;产生这些差异和现象的原因,可根据复合材料中EG分散相形态和内部微结构随制备方法、和Cg/fm的变化,按逾渗理论来解释。

基于等温表面电位衰减法的氧化石墨烯/低密度聚乙烯纳米复合材料陷阱分布特性

聚合物绝缘材料中空间电荷的注入、输运、积聚和消散过程与材料的陷阱特性密切相关。为研究氧化石墨烯(GO)添加对聚乙烯材料陷阱特性的影响,制备了GO质量分数分别为0.001%、0.005%、0.01%、0.02%、0.05%的氧化石墨烯/低密度聚乙烯(LDPE)纳米复合材料,基于等温表面电位衰减(ISPD)法研究了30℃、50℃和70℃下GO/LDPE纳米复合材料的陷阱分布特性。研究发现:GO/LDPE试样均存在2个陷阱能级中心,随GO质量分数从0增加至0.05%,试样陷阱能级呈现先增大后减小的趋势;当GO质量分数为0.01%时,复合材料的深陷阱能级和密度最大;随着温度的升高,复合材料深陷阱中心所捕获的电荷更易发生脱陷过程,从而导致复合材料视在深陷阱能级增大。分析认为,质量分数为0.01%的GO纳米添加可以增大复合材料深陷阱密度,降低载流子迁移率,从而有效抑制电荷向试样内部的迁移过程。

聚乙烯/膨胀石墨导电阻燃复合材料的研究

通过溶液插层法研究了聚乙烯/膨胀石墨复合材料的力学性能、电学性能、阻燃性能。结果表明,当膨胀石墨填充量为10～15份时,复合材料的体积电阻降为1×108Ω以下,当膨胀石墨含量为30份时,复合材料的氧指数达到22 8,具有一定的阻燃性。

石墨烯/高分子复合材料研究进展的可视化分析

为了解石墨烯/高分子复合材料研究领域的研究现状,利用CiteSpace软件对2004—2023年期间该领域的文献进行可视化分析,通过主题检索构建数据集,从时间分布、国家合作、机构合作及文献共被引分析该研究领域的发展情况。石墨烯/高分子复合材料领域研究活跃,中国、美国、印度为主要研究力量,中国的发文数占所有国家发文数的45%;电磁干扰、热导率及石墨烯纳米片是该领域的三个主要聚类,近期的研究热点为石墨烯/高分子复合材料用于电磁干扰,掺入石墨烯的高分子材料具有高电磁屏蔽效率。突变性分析结果表明,近期该领域的研究趋势为石墨烯增强复合材料,在低添加量下,石墨烯对复合材料力学性能的增强效果显著。

铸型尼龙/高密度聚乙烯改性氧化石墨烯复合材料的制备与性能

首先通过静电作用将氧化石墨烯(GO)与2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(GTMAC)结合,在氧化石墨烯的表面引入环氧基,再与马来酸酐接枝高密度聚乙烯(HDPE-g-MAH)反应,制得高密度聚乙烯接枝氧化石墨烯(GO-g-HDPE)。采用傅里叶变换红外光谱、X射线衍射及热重分析对接枝产物进行了表征。将GO-g-HDPE作为铸型尼龙(MC尼龙)的填充剂,通过阴离子原位聚合的方法制备了铸型尼龙/GO-g-HDPE复合材料。力学性能测试结果表明,GO-g-HDPE作为MC尼龙的改性材料起到了增强增韧的双重作用,HDPE-g-MAH的质量分数为0.02%时,拉伸强度增加了14.7%,断裂伸长率增加了21.0%,冲击强度增加了30.0%,压缩强度增加了27.2%。同时,MC尼龙吸水率降低,热稳定性增加。

Al_2O_3陶瓷—石墨/超高分子量聚乙烯杂交纤维复合材料装甲抗弹性能研究

对以Al2 O3 陶瓷作面板、以石墨与超高分子量聚乙烯杂交纤维增强环氧树脂基复合材料为背板的复合装甲的抗弹性能进行了理论分析和实验研究 ,探讨了面板与背板的材料参数、几何参数等对复合装甲的抗弹性能的影响 ,得到了具有工程指导意义的结论。

聚乙烯醇分子结构对聚乙烯醇/氧化石墨烯复合材料吸水保水性能的影响

对4种聚乙烯醇(PVA)的相对分子质量、醇解度、VAc单元嵌段度进行了定量表征,并制备了PVA/氧化石墨烯(GO)复合材料,对其结晶度、结晶及熔融行为、吸水和保水性能进行研究,试图揭示PVA分子结构与PVA/GO复合材料吸水及保水性能之间的深层联系。结果表明,PVA醇解度越高,VAc单元嵌段度越低,其PVA/GO复合材料的结晶和熔融温度就越高、结晶度越高,而相对分子质量的影响很小;另一方面,醇解度过低、疏水乙酰基含量高、氢键含量少时,则吸水性能和保水性能较差;醇解度过高则会导致结晶度过高,对吸水和保水性能有抑制作用。只有醇解度及结晶度适中时,PVA/GO吸水及保水性能最优。

原位膨胀熔融混合法制备聚乙烯/膨胀石墨插层型复合材料

以线形低密度聚乙烯(PE-LLD)、低温可膨胀石墨(LTEG)为原料,通过双转子连续混炼机,采用熔融混合法制备了PE-LLD/膨胀石墨插层型复合材料。通过扫描电镜(SEM),X射线衍射(XRD)等表征方法对复合材料的结构和性能进行了分析,结果表明,石墨在与PE-LLD熔融混合过程中,发生了同步膨胀,并且PE-LLD分子链插入到石墨片层之间形成了插层型复合材料,相比纯PE-LLD,复合材料的阻透性能提高了40%。