空军工程大学白二雷团队： 氧化石墨烯接枝碳纤维增强体改性混凝土的力学性能

基本信息

作者：王志航1, 白二雷* 1, 任彪1, 刘超佳1, 周俊鹏2

单位：1. 空军工程大学　航空工程学院；2. 中国人民解放军 93204 部队

收稿日期：2023-11-14；录用日期：2023-12-21

基金项目：国家自然科学基金(52278287)

关键词：混凝土；碳纤维；氧化石墨烯；化学接枝；力学性能

研究成果

在混凝土中掺加纤维是改善其脆性及提高其性能的有效途径之一。其中，碳纤维掺入混凝土后可以起到增强、阻裂作用，有效提高混凝土的力学性能和韧性。然而，碳纤维表面活性官能团少，表现为化学惰性，与混凝土基体之间无法形成化学键键合，仅依靠机械咬合力等物理作用。同时，碳纤维表面光滑，与混凝土基体间的粘结性相对较差，碳纤维/混凝土基体界面易成为薄弱区。在荷载作用下，碳纤维的增强增韧作用无法有效发挥，从而影响碳纤维增强混凝土的宏观力学性能。因此，需对碳纤维/混凝土基体界面进行改善增强。

氧化石墨烯是典型的二维纳米材料，其比表面积大、力学性能优异，且表面存在大量的含氧官能团。相关研究表明：依据复合材料增强机理，氧化石墨烯可以接枝到碳纤维表面，制得氧化石墨烯接枝碳纤维增强体（CF-GO）。CF-GO是二维纳米尺度氧化石墨烯和一维微米尺度碳纤维相结合的跨尺度结构增强体。当前，CF-GO凭借其优异性能广泛应用于高分子树脂基领域，用于增强碳纤维/树脂基体界面，而在混凝土中的应用尚处于起步阶段。

为增强碳纤维/混凝土基体界面性能，探究氧化石墨烯接枝碳纤维增强体（CF-GO）对混凝土力学性能的影响规律，以氨基硅烷为桥接物，将碳纤维和氧化石墨烯通过化学键紧密结合，制备CF-GO。通过扫描电镜和红外光谱试验，验证CF-GO是否成功制备，并测试其界面剪切强度。同时，制备CF-GO改性混凝土（CF-GO/C）和CFMC，对比分析两者的力学性能。此外，结合扫描电镜试验，分析CF-GO对混凝土力学性能的改性机理。

结果：

（1）碳纤维和氧化石墨烯通过与氨基硅烷形成化学键紧密结合，实现在碳纤维表面接枝氧化石墨烯，制得一种增强体CF-GO。CF-GO表面更粗糙，其界面剪切强度较碳纤维增大了25.37%。

（2）随着CF-GO掺量的增大，CF-GO/C的抗折和抗压强度均先增大后减小。CF-GO的最佳掺量为0.3%，碳纤维的最佳掺量为0.2%。在最佳掺量下，CF-GO/C的抗折和抗压强度分别增大了33.21%、24.63%。

（3）CF-GO表面的氧化石墨烯通过提高CF-GO与混凝土基体的机械咬合力和促进水化产物在CF-GO表面的生成，从物理和化学两方面增强CF-GO/混凝土基体界面。

CF-GO可以克服碳纤维表面光滑、活性官能团少的缺点，可以从物理和化学两方面增强纤维/混凝土基体界面，从而提高混凝土的力学性能。CF-GO对混凝土力学性能的提高效果优于碳纤维。

CF-GO不仅是一种结构增强体，还可以作为功能增强体，用于提高混凝土电磁屏蔽、雷达吸波等特性。碳纤维增强混凝土在高频电磁波的防护上具有较好的效果，但对电磁波的吸收能力较弱、对电磁波屏蔽的频带窄。因此，考虑将氧化石墨烯接枝在碳纤维表面，从而综合提高混凝土的性能。CF-GO/C有望作为一种结构-功能一体化材料应用于军事工程。

作者团队简介

第一作者

王志航

王志航，博士研究生，研究方向为多功能混凝土材料。

通信作者

白二雷

白二雷，博士，副教授，博士生导师，研究方向为防护工程。

引用格式：

王志航, 白二雷, 任彪, 等. 氧化石墨烯接枝碳纤维增强体改性混凝土的力学性能[J]. 复合材料学报, 2024, 41(10): 5504-5515.