摘要
高分子聚合物普遍具有比强度高、韧性好或耐疲劳等优点，但同时也存在易发生应力松弛和蠕变、强度值有局限性等问题。通过在聚合物中加入第二相组分形成复合材料是提高性能、扩大应用范围的一条有效途径。近年来，基于其独特的二维结构和优异的力学性质，石墨烯成为聚合物复合材料的理想增强填料。然而，当前此类复合材料的研究主要采用的是粉体石墨烯材料，如氧化石墨烯（GO）、还原氧化石墨烯（rGO）或剥离石墨烯（eGO）等。虽然粉体石墨烯具有易分散、价格低等优势，但其尺寸小、缺陷多的特点也限制了力学增强的上限。高质量石墨烯连续膜材料可以通过化学沉积法（CVD）制备得到，其缺陷少、连续性好的特点非常有利于力的连续承载，在理论上具有远优于粉体石墨烯的力学性质。与此同时，连续的结构也带来了添加困难、成型受限等问题，使得高质量连续石墨烯在聚合物复合材料中的有序排列和组装仍然是一个巨大的挑战。 本文以GO、石墨烯（CVD制备得到的连续石墨烯单层膜，简称G）、聚乳酸/二氯甲烷（PLA/CH2Cl2）溶液和聚丙烯腈/N,N-二甲基甲酰胺（PAN/DMF）溶液等为原料，采用创新性的成型工艺和手段，分别制备了PLA-GO、PLA-G和PAN-G复合材料，在实验室层面上实现了有序分散的石墨烯基复合材料并测试了它们的力学性质。主要研究内容如下： （1）以金属铜为催化衬底，使用CVD的方法合成了单层石墨烯薄膜材料。通过对生长的石墨烯进行光学显微镜和Raman光谱表征，确定该方法生长的石墨烯具有大面积连续、缺陷率低等特点。 （2）通过将PLA/CH2Cl2溶液均匀旋涂在CVD石墨烯表面获得PLA-G薄膜，使用堆叠结合横向剪切滚动的方法制备了有序排列的PLA-G复合纤维材料，然后将PLA-G复合纤维材料应用于3D打印成型，使用卧式拉力试验机对打印的拉伸件进行拉伸测试。实验结果表明，与纯的PLA材料相比，在石墨烯仅0.1%的体积添加分数下，PLA-G的平均（最大）强度和杨氏模量分别提高了38.98%（45.07%）和69.64%（76.47%），并且显著高于PLA-GO，证明连续石墨烯膜比碎片化石墨烯的力学增强效果更显著。 （3）将PAN/DMF溶液均匀旋涂在CVD石墨烯表面获得了PAN-G薄膜，通过对PAN-G膜在不同的温度下进行碳化，研究石墨烯对PAN膜碳化和石墨化的影响。进一步地，通过对石墨烯进行UV-O3处理和Ar、O2等离子体处理，研究缺陷化石墨烯对PAN高温碳化和石墨化的影响。结果表明，在较高的碳化温度下，石墨烯可以诱导其附近的碳原子石墨化，且UV-O3处理的石墨烯，其诱导效果最显著，使得PAN-G的Raman光谱中ID/IG值由0.762降低为0.552，石墨化程度明显提高。该研究为促进无定形碳向石墨化碳转变，进一步提高聚丙烯腈碳纤维的力学性能提供了新思路。
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