پایان نامه تهیه نانو کامپوزیت های هیبریدی بر پایه رزولگرافنالیاف کربن و بررسی خواص مکانیکی و حرارتی آن ها

فهرست:

  چکیده .............................................................................................................................1

1- فصل اول..................................................................................................................................... 1

1-1- مقدمه................................................................................................................................ 2

1-2- هدف................................................................................................................................... 3

1-3- پیشینه تحقیق....................................................................................................................... 3

1-3-1- رزین های فنولیک............................................................................................................. 3

1-3-2- نانوکامپوزیت های گرافن................................................................................................... 4

1-4- روش کار و تحقیق.................................................................................................................... 5

2- فصل دوم: مروری بر مطالعات انجام شده......................................................................................... 6

2-1- مقدمه................................................................................................................................ 6

2-2- کامپوزیت............................................................................................................................. 7

2-2-1- کاربردهای کامپوزیت ها..................................................................................................... 8

2-2-2- ضرورت سبک سازی کامپوزیت ها......................................................................................... 9

2-2-3- روش های سبک سازی کامپوزیت ها...................................................................................... 9

2-2-4- رزین های مورد استفاده در کامپوزیت ها.................................................................................. 9

2-3- رزین های فنولیک.................................................................................................................. 10

2-3-1- پخت رزین های فنولیک.................................................................................................... 10

2-3-2- پخت حرارتی رزول ها....................................................................................................... 11

2-3-3- خواص رزین های فنولیک.................................................................................................. 14

2-3-4- مزایای رزین های فنولیک.................................................................................................. 15

2-3-5- معایب رزین های فنولیک.................................................................................................. 15

2-3-6- کاربردهای رزین فنولیک................................................................................................... 16

2-4- الیاف................................................................................................................................. 16

2-4-1- الیاف کربن................................................................................................................... 17

2-5- نانوکامپوزیت ها................................................................................................................... 18

2-5-1- تعریف نانوکامپوزیت ها.................................................................................................. 19

2-5-2- کاربرد نانوکامپوزیت ها................................................................................................... 19

2-6- گرافن................................................................................................................................ 20

2-6-1- روش های تولید نانوکامپوزیت های گرافن.............................................................................. 22

2-6-1-أ‌- اختلاط محلولی...................................................................................................... 22

2-6-1-ب‌- اختلاط مذاب........................................................................................................ 23

2-6-1-ت‌- پلیمریزاسیون درجا................................................................................................. 24

2-7- خواص مختلف نانوکامپوزیت های گرافن..................................................................................... 25

2-7-1- خواص مکانیکی نانوکامپوزیت های گرافن............................................................................ 25

2-7-1-أ‌- خواص مکانیکی کامپوزیت های کربن/کربن..................................................................... 34

2-7-2- هدایت الکتریکی نانوکامپوزیت های گرافن............................................................................ 36

2-7-3- خواص حرارتی نانوکامپوزیت های گرافن............................................................................... 37

2-7-3-أ‌- هدایت حرارتی نانوکامپوزیت های گرافن.......................................................................... 37

2-7-3-ب‌- پایداری حرارتی نانوکامپوزیت های گرافن....................................................................... 39

2-7-3-ت‌- اثر گرافن بر روی آنتالپی و دمای شروع پخت و دمای انتقال شیشه ای نانوکامپوزیت ها................ 45

2-7-4- مدل سازی خواص مکانیکی نانوکامپوزیت های گرافن.............................................................. 50

2-8- نتیجه گیری........................................................................................................................ 50

3- فصل سوم: مواد و روش های آزمون............................................................................................... 51

3-1- مقدمه.............................................................................................................................. 51

3-2- مواد مصرفی....................................................................................................................... 51

3-2-1- رزین فنولیک................................................................................................................. 52

3-2-2- الیاف کربن................................................................................................................... 52

3-2-3- گرافن......................................................................................................................... 53

3-3- تجهیزات و دستگاه های مورد استفاده......................................................................................... 54

3-4- روش تهیه نمونه ها................................................................................................................ 54

3-4-1- تعیین درصد جامد رزول.................................................................................................... 55

3-4-2- تعیین زمان رسیدن به B-stage......................................................................................... 55

3-4-3- پخش نانو ذرات گرافن در حلال و رزین.................................................................................... 56

3-4-4- نحوه تهیه نمونه نهایی و ساخت نانوکامپوزیت هیبریدی رزول بر پایه الیاف کربن و گرافن..................... 56

3-4-5- نحوه تهیه نمونه های کربنیزه شده نانوکامپوزیت رزول بر پایه الیاف کربن و گرافن............................. 56

3-5- آزمون های انجام شده.............................................................................................................. 58

3-5-1- بررسی مورفولوژی نانوکامپوزیت به کمک میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM).............................. 58

3-5-2- بررسی ساختار شیمیایی رزین و نانوکامپوزیت با استفاده ازطیف سنجی زیر قرمز به روش FTIR........... 58

3-5-3- بررسی پایداری حرارتی نانوکامپوزیت رزین فنولیک/گرافن با استفاده از آزمون گرما وزن سنجی (TGA )..... 59

3-5-4- بررسی پخت نانوکامپوزیت رزین فنولیک/گرافن با استفاده از آزمون گرماسنجی روبشی تفاضلی (DSC).. 60

3-5-5- بررسی نحوه پخش نانو ذرات با استفاده از آزمون طیف سنجی تفرق پرتو ایکس (XRD)....................... 60

3-5-6- بررسی مورفولوژی نانوکامپوزیت با استفاده از آزمون میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM).................. 61

3-5-7- بررسی خواص خمشی نانوکامپوزیت رزین فنولیک/گرافن/ الیاف کربن........................................... 62

3-5-8- بررسی خواص استحکام برشی نانوکامپوزیت رزین فنولیک/گرافن/ الیاف کربن................................ 62

4- فصل چهارم: نتایج.................................................................................................................... 65

4-3- مقدمه.............................................................................................................................. 65

4-4- تعیین مشخصات مواد مصرفی................................................................................................ 65

4-4-1- تعیین درصد مواد جامد و فرار رزول....................................................................................... 65

4-4-2- تعیین گرانروی رزین......................................................................................................... 66

4-4-3- بررسی ساختار شیمیایی رزین رزول IL800 با استفاده از FTIR..................................................... 66

4-4-4- بررسی ساختار شیمیایی صفحات گرافن............................................................................. 67

4-4-5- بررسی شکل و اندازه صفحات گرافن با استفاده از SEM........................................................... 68

4-4-6- بررسی ریز ساختار صفحات گرافن و نانوکامپوزیت های آن......................................................... 70

4-4-6-أ‌- بررسی ریز ساختار صفحات گرافن و نانوکامپوزیت های آن با استفاده از WAXS.......................... 70

4-4-6-ب‌- بررسی ساختار گرافن با استفاده از  TEM..................................................................... 78

4-4-6-ت‌- بررسی ریز ساختار نانوکامپوزیت با استفاده TEM........................................................... 72

4-5- نتایج مربوط به آزمون های بررسی خواص مکانیکی نانوکامپوزیت های هیبریدی رزول/ گرافن/ الیاف کربن....... 73

4-5-1- بررسی خواص خمشی نانوکامپوزیت های تهیه شده............................................................... 73

4-5-2- بررسی خواص برشی نانوکامپوزیت های تهیه شده.................................................................. 80

4-5-3- استحکام برشی نانوکامپوزیت های کربن/کربن...................................................................... 86

4-6- بررسی ریزساختار نمونه ها به کمک SEM.................................................................................... 88

4-6-1- بررسی ریزساختار رزین فنولیک و نمونه های حاوی گرافن............................................................ 88

4-6-2- بررسی ریزساختار نانوکامپوزیت هیبریدی رزین فنولیک/الیاف کربن/ نانوگرافن توسط (SEM).............. 93

4-6-3- بررسی ریزساختار نانوکامپوزیت های کربن/کربن رزین فنولیک/الیاف کربن/ نانوگرافن توسط (SEM)...... 98

4-6-4- بررسی پخت رزول و نانوکامپوزیت های حاصل از آن................................................................. 102

4-6-4-أ‌- بررسی پخت به کمک FTIR...................................................................................... 102

4-6-4-ب‌- بررسی پخت رزین فنولیک و نانوکامپوزیت حاوی گرافن به کمک DSC.................................. 105

4-6-5- بررسی پایداری حرارتی رزین فنولیک و اثر کسر وزنی گرافن بر روی آن با استفاده از TGA..................... 107

5- فصل پنجم: خلاصه و پیشنهادات.............................................................................................. 110

5-1- نتیجه گیری...................................................................................................................... 110

5-2- پیشنهادات جهت ادامه کار................................................................................................... 112

منبع:

[1]    Wagner H. D., “Framework for nanocomposites” , November, 32–37, 2004.

[2]    Terrones M., Martín O., González M., Pozuelo J., Serrano B., Cabanelas J. C., “Interphases in Graphene Polymer-based Nanocomposites: Achievements and Challenges” , Advanced Materials, 23, 44, 5302–5310, 2011.

[3]    Liang J., Wang Y., Huang Y., Ma Y., Liu Z., Cai J., “Electromagnetic interference shielding of graphene/epoxy composites” , Carbon, Elsevier Ltd, 47, 3, 922–925, 2009.

[4]    Kuilla T., Bhadra S., Yao D., Kim N. H., Bose S., Lee J. H., “Recent advances in graphene based polymer composites” , Progress in Polymer Science, Elsevier Ltd, 35, 11, 1350–1375, 2010.

[5]    رضادوست،ا.م،بهشتی،م.ح, “پلاستیک های تقویت شده (کامپوزیت ها)” , پژوهشگاه پلیمر وپتروشیمی ایران, تهران, 1384.

[6]    Article P., “The rise of graphene” , 183–191, .

[7]    Kim H., Abdala A. a., Macosko C. W., “Graphene/Polymer Nanocomposites” , Macromolecules, 43, 16, 6515–6530, 2010.

[8]    هاشمی س. ع., “الیاف کربن و کامپوزیت های آن” , مرکز تحقیقات پلیمر, تهران, 1372.

[9]    Brydson J. A., “Plastics Materials” , Seventh, 1999.

[10]  بهشتی م. ح., “رزین های فنولی” , دوم, انجمن پلیمر ایران, تهران, 1388.

[11]  A. Pizzi, R.Garcia S. W., “On the Networking Mechanisms of Additives Accelerated Phenol-Formaldehyde Polycondensates” , Journal of Applied Polymer Science, 66, 2, 255–262, 1997.

[12]  Goodman S., “Handbook of Thermoset Plastics” , Noyes, 1998.

[13]  “ستاد ویژه توسعه فناوری نانو” , .

[14]  حبیب نژاد م., “نانو مواد” , دانشگاه تهران, تهران, .

[15]  Ganguli S., Roy A. K., Anderson D. P., “Improved thermal conductivity for chemically functionalized exfoliated graphite/epoxy composites” , Carbon, 46, 5, 806–817, 2008.

[16]  Huang X., Qi X., Boey F., Zhang H., “Graphene-based composites.” , Chemical Society reviews, 41, 2, 666–686, 2012.

[17]  Verdejo R., Bernal M. M., Romasanta L. J., Lopez-Manchado M. a., “Graphene filled polymer nanocomposites” , Journal of Materials Chemistry, 21, 10, 3301, 2011.

[18]  Galpaya D., “Recent Advances in Fabrication and Characterization of Graphene-Polymer Nanocomposites” , Graphene, 01, 02, 30–49, 2012.

[19]  Kim H., Kobayashi S., AbdurRahim M. a., Zhang M. J., Khusainova A., Hillmyer M. a., “Graphene/polyethylene nanocomposites: Effect of polyethylene functionalization and blending methods” , Polymer, Elsevier Ltd, 52, 8, 1837–1846, 2011.

[20]  An X., Simmons T., Shah R., Wolfe C., Lewis K. M., Washington M., “Stable aqueous dispersions of noncovalently functionalized graphene from graphite and their multifunctional high-performance applications.” , Nano letters, 10, 11, 4295–4301, 2010.

[21]  Rafiee M. A., Rafiee J., Wang Z., Song H., Yu Z. et al., “Enhanced Mechanical Properties of Nanocomposite at Low Graphene Content” , 3, 12, .

[22]  Bortz D. R., Heras E. G., Martin-Gullon I., “Impressive Fatigue Life and Fracture Toughness Improvements in Graphene Oxide/Epoxy Composites” , Macromolecules, 45, 1, 238–245, 2012.

[23]  Bansal D., Pillay S., Vaidya U., “Processing and characterization of nanographene platelets modified phenolic resin as a precursor to carbon/carbon composites--part I” , Journal of Reinforced Plastics and Composites, 32, 9, 585–592, 2013.

[24]  Park J.-M., Kwon D.-J., Wang Z.-J., Gu G.-Y., DeVries K. L., “Interfacial, fire retardancy, and thermal stability evaluation of graphite oxide (GO)-phenolic composites with different GO particle sizes” , Composites Part B: Engineering, Elsevier Ltd, 53, 290–296, 2013.

[25]  Zhou J., Yao Z., Chen Y., Wei D., Wu Y., Xu T., “Mechanical and Thermal Properties of Graphene Oxide / Phenolic Resin Composite” , 2013.

[26]  Zaman I., Kuan H.-C., Meng Q., Michelmore A., Kawashima N., Pitt T., “A Facile Approach to Chemically Modified Graphene and its Polymer Nanocomposites” , Advanced Functional Materials, 22, 13, 2735–2743, 2012.

[27]  Qiu J., Wang S., “Enhancing Polymer Performance Through Graphene Sheets” , 119, Grade 230, 3670–3674, 2011.

[28]  Windhorst, T.; Blount G., “Carbon-carbon composites: a summary of recent developments and applications” , Materials and Design, 18, 11–15, 1997.

[29]  Manocha L. M., “High performance carbon-carbon composites” , Sadhana - Academy Proceedings in Engineering Sciences, 28, 349–358, 2003.

[30]  Fitzer E., “Future Of Carbon-Carbon Composites” , Carbon, 25, 163–190, 1987.

[31]  Klein A. J., “Carbon/Carbon Composites” , Advanced Materials and Processes, 30, 64–68, 1986.

[32]  Schmidt, D. L.; Davidson, K. E.; Theibert L. S., “In Applications of carbon-carbon composites” , Proceedings of the 1997 42nd International SAMPE Symposium and Exhibition, 1482–1493, 1997.

[33]  Bansal D., Pillay S., Vaidya U., “Nanographite-reinforced carbon/carbon composites” , Carbon, 55, 233–244, 2013.

[34]  Kang TJ J. Y. W., “Mechanical properties of matrix-modified carbon/carbon composites.” , Polym Polym Compos, 5, 469–475, 1997.

[35]  Yasuda E, Tanabe Y, Manocha LM K. S., “Matrix modification by graphite powder additives in carbon fiber/ carbon composite with thermosetting resin precursor as a matrix” , Carbon, 26, 225–227, 1988.

[36]  Ma C-CM, Chen C-B C. W.-C., “Processability and morphology of phenolic matrix carbon/carbon composites (I” , USA. Anaheim, CA, USA: SAMPE, 521–530, 1992.

[37]  Yeh M-K, Tai N-H L. J.-H., “Dynamic mechanical properties of MWNTs/phenolic nanocomposites” , Fracture and strength of solids VI. Trans Tech Publications Ltd, 1073–1078, 2006.

[38]  Tai N-H Y. M.-K., “Peng T-H. Experimental study and theoretical analysis on the mechanical properties of SWNTs/ phenolic composites” , Compos B Eng, 39, 926–932, 2008.

[39]  Manocha L. M., “Introduction of nanostructures in carbon/ carbon composites” , Mater Sci Eng A, 412, 27–30, 2005.

[40]  R Jain, UK Vaidya A. H., “Processing and characterization of carbon/carbon nanofiber composites” , Adv Compos Mater, 15, 211–241, 2006.

[41]  Singh V., Joung D., Zhai L., Das S., Khondaker S. I., Seal S., “Graphene based materials: Past, present and future” , Progress in Materials Science, Elsevier Ltd, 56, 8, 1178–1271, 2011.

[42]  Kim H., Miura Y., Macosko C. W., “Graphene/Polyurethane Nanocomposites for Improved Gas Barrier and Electrical Conductivity” , Chemistry of Materials, 22, 11, 3441–3450, 2010.

[43]  Zhang H.-B., Zheng W.-G., Yan Q., Jiang Z.-G., Yu Z.-Z., “The effect of surface chemistry of graphene on rheological and electrical properties of polymethylmethacrylate composites” , Carbon, Elsevier Ltd, 50, 14, 5117–5125, 2012.

[44]  Shahil K. M. F., Balandin A. a, “Graphene-multilayer graphene nanocomposites as highly efficient thermal interface materials.” , Nano letters, 12, 2, 861–867, 2012.

[45]  Shahil K. M. F., Balandin A. a., “Thermal properties of graphene and multilayer graphene: Applications in thermal interface materials” , Solid State Communications, Elsevier, 152, 15, 1331–1340, 2012.

[46]  Chatterjee S., Wang J. W., Kuo W. S., Tai N. H., Salzmann C., Li W. L. et al., “Mechanical reinforcement and thermal conductivity in expanded graphene nanoplatelets reinforced epoxy composites” , Chemical Physics Letters, 531, 6–10, 2012.

[47]  Teng C.-C., Ma C.-C. M., Lu C.-H., Yang S.-Y., Lee S.-H., Hsiao M.-C. et al., “Thermal conductivity and structure of non-covalent functionalized graphene/epoxy composites” , Carbon, Elsevier Ltd, 49, 15, 5107–5116, 2011.

[48]  Si J., Li J., Wang S., Li Y., Jing X., “Enhanced thermal resistance of phenolic resin composites at low loading of graphene oxide” , Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 54, 166–172, 2013.

[49]  Bansal D., Pillay S., Vaidya U., “Processing and characterization of nanographene platelets modified phenolic resin as a precursor to carbon/carbon composites (part II)” , Journal of Reinforced Plastics and Composites, 32, 13, 955–963, 2013.

[50]  Materials C., “Standard Test Method for Short-Beam Strength of Polymer Matrix Composite Materials” , i, 1–8, 2013.

[51]  nicolais G Carotenuto L., “Kinetic Study of Phenolic Resin Cure by IR Spectroscopy” , Applid polymer Science, 74, 2703–2715, 1999.

[52]  Titelman GI, Gelman V, Bron S, Khalfin RL, Cohen Y B.-P., H, “Characteristics and microstructure of aqueous colloidal dispersions of graphite oxide” , Carbon, 43, 3, 641–649, 2005.

[53]  Hontoria-Lucas C, Lopez-Peinado AJ, Lopez-Gonzalez JdD R.-, Cervantes ML M.-A. R. M., “Study of oxygen-containing groups in a series of graphite oxides: physical and chemical characterization” , Carbon, 33, 11, 1585–1592, 1995.

[54]  Szabo T, Berkesi O D. I., “DRIFT study of deuterium-exchanged graphite oxide” , Carbon, 43, 15, 3186–3189, 2005.

[55]  .Jeffry R. Potts , Daniel R. Dreyer , Christopher W. Bielawski R. S. R., “Graphene‐based polymer nanocomposites” , Polymer, 52, 5–25, 2011.

[56]  Monti M., Rallini M., Puglia D., Peponi L., Torre L., Kenny J. M., “Morphology and electrical properties of graphene–epoxy nanocomposites obtained by different solvent assisted processing methods” , Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Elsevier Ltd, 46, 166–172, 2013.

[57]  Ding R., Hu Y., Gui Z., Zong R., Chen Z., Fan W., “Preparation and characterization of polystyrene/graphite oxide nanocomposite by emulsion polymerization” , Polymer Degradation and Stability, 81, 3, 473–476, 2003.

[58]  Li J., Sham M., Kim J., Marom G., “Morphology and properties of UV/ozone treated graphite nanoplatelet/epoxy nanocomposites” , Composites Science and Technology, 67, 2, 296–305, 2007.

[59]  R. Hollertz, S. Chatterjee, H. Gutmann, T. Geiger, F.A. Nüesch B. T. T. C., “Improvement of toughness and electrical properties of epoxy composites with carbon nanotubes prepared by industrially relevant processes” , Nanotechnology, 22, 2011.

[60]  Shokrieh M. M., Ghoreishi S. M., Esmkhani M., Zhao Z., “Effects of graphene nanoplatelets and graphene nanosheets on fracture toughness of epoxy nanocomposites” , Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 37, 10, 1116–1123, 2014.

[61]  A. Allaoui, S. Bai, H.M. Cheng J. B. B., “Effect of the length and the aggregate size of MWNTs on the improvement efficiency of the mechanical and electrical properties of nanocomposites—experimental investigation” , Compos. Sci. Technol, 62, 2002.

[62]  St John N. a., Brown J. R., “Flexural and interlaminar shear properties of glass-reinforced phenolic composites” , Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 29, 8, 939–946, 1998.

[63]  JM W., “Browning CE. On short-beam shear tests for composite materials” , Exp Mech, 25, 294–300, 1985.

[64]  Donnet JB B. R. C., “Carbon fiber” , 3rd, Marcel Dekker, New York, 1998.

[65]  Chen W., Yu Y., Li P., Wang C., Zhou T., Yang X., “Effect of new epoxy matrix for T800 carbon fiber/epoxy filament wound composites” , Composites Science and Technology, 67, 11-12, 2261–2270, 2007.

[66]  Liu Y., Yang J.-P., Xiao H.-M., Qu C.-B., Feng Q.-P., Fu S.-Y. et al., “Role of matrix modification on interlaminar shear strength of glass fibre/epoxy composites” , Composites Part B: Engineering, Elsevier Ltd, 43, 1, 95–98, 2012.

[67]  Brelant, S. Pekter I., “Fabrication and environmental interaction of filament-wound composites” , In Mechanics of Composite Materials, 799–812, 1970.

[68]  Judd, N. C. W. nd Wright W. W., “Voids and their effects on the mechanical properties of composites—an appraisal” , SAMPE J, 14, 1, 10, 1978.

[69]  Wisnom, M. R., Reynolds, T. and Gwilliam N., “Reduction in interlaminar shear strength by discrete and distributed voids” , Compos. Sci. Technol, 56, 93, 1996.

[70]  Vaidya Uday R. P. K., “Monitoring processing stages of carbon/carbon composites using vibration based nondestructive evaluation” , Mater Eval, 682–688, 1994.

[71]  Lai S.-M., Chen W.-C., Wang Z. W., “Effectiveness of a maleated compatibilizer on the tensile and tear properties of peroxide-cured metallocene polyethylene/clay nanocomposites” , Journal of Polymer Research, 18, 5, 1033–1042, 2010.