海藻酸钠/碳纳米复合纤维及其复合材料制备
摘要
随着纳米技术在21世纪的快速发展，常见的纳米材料包括石墨烯、碳纳米管、富
勒烯等带来了诸多意料之外的新奇特性。其中石墨烯材料由于其自身的特殊结构更是开
启了二维纳米材料研究的新纪元，并且丰富的力学、电学和热学等性能，已经成为科研
人员重点研究领域并得到了一定的实际应用。石墨烯纤维由于其高强度、高模量以及柔
韧性好等优点，被广泛应用于可穿戴电子材料、储能材料和多功能材料等领域，但受限
于石墨烯纤维的制备工艺和润湿能力，石墨烯纤维较少被用于增强材料，目前石墨烯纤
维增强树脂基复合材料的研究尚处于单丝模拟和理论研究阶段。因此，制备连续且性能
稳定的高性能石墨烯纤维用于增强树脂基复合材料，对实现纳米纤维在树脂基复合材料
中的宏观组装具有重要的研究价值和科学意义。
本文以树脂基复合材料中对新型纤维材料和纳米材料的需求为背景，将氧化石墨烯
（GO）材料以纤维形式引入树脂基复合材料中，设计并制备具有高强度、高柔韧性、良
好导电性和高热稳定性的GO宏观纤维材料。采用湿法纺丝的方法，设计基于海藻酸钠
（SA）纺丝原液体系，通过研究粘度、温度、液晶等多种因素对纺丝原液的影响，确定
最佳纺丝原液体系。通过纤维的成型机理和成纤情况研究，确定了最佳湿法纺丝制备
SA/GO复合纤维的工艺参数。对制备得到的SA/GO复合纤维的形貌结构、力学性能、
电学性能、热稳定性和润湿性能进行系统的研究发现，当SA和GO的比例为1:3时，
SA/GO复合纤维的拉伸强度最大能达到277.44MPa，杨氏模量最高能达19.31GPa，韧
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性最高能达到367.63MPa，表面能最高能达到37.95mJ/m，还原后复合纤维的电导率
最高能达到2801.35S/m，且纤维具有良好的柔韧性、均一性和热稳定性。
在湿纺丝法制备GO纤维体系中引入CNTs，制备了SA/CNTs/GO复合纤维。研究
发现当引入的CNTs和GO的比例为1:2时，复合纤维的拉伸强度、韧性和表面能相比
SA/GO复合纤维分别提高了20.53%、55.61%和16.84%，且SA/CNTs/GO复合纤维导电
性能稳定并具有更优异的耐热性能。
以制备的GO复合纤维为增强体材料，基于Acid-base模型理论进行表面能计算，
得到GO复合纤维与不同聚合物的润湿参数，分析其与不同聚合物的界面结合性能，选
择环氧树脂为基体。通过固化动力学研究，确定了环氧树脂的固化工艺参数，采用浇注
成型工艺，制备了不同结构的GO纤维增强树脂基复合材料和GO纤维增强碳纤维树脂
基复合材料。通过对复合材料剪切性能测试研究发现，GO复合纤维/环氧树脂复合材料
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
最大剪切性能最大能达到13.82MPa，相比于空白样品提升了20.07%；GO复合纤维增
强3层和5层碳纤维/环氧树脂复合材料最大剪切强度能达到35.34MPa和46.94MPa，
相比于纯碳纤维/环氧树脂复合材料分别提高了10.48%和21.21%。
关键词：GO；复合纤维；CNTs；树脂基复合材料；力学性能
海藻酸钠/碳纳米复合纤维及其复合材料制备
Abstract
Withtherapiddevelopmentofnanotechnologyinthe21stcentury,commonlyused
nanomaterialsmainlyincludegraphene,carbonnanotubes(CNTs),fullerene,etc.,whichhave
broughtmanyunexpectednovelproperties.Amongthem,graphenematerialhasopenedanew
eraofresearchontwo-dimensionalnanomaterialsduetoitsspecial