摘 要

在海洋和能源研究领域，需要低密度，高强度，高热导率的材料，然而这种并存的性能往往在单一的材料中很难获得。因此，为了利用中空玻璃微珠(HGB)的低密度和高强度，以及还原氧化石墨烯(rGO)的热导率。本文采用还原氧化石墨烯包裹的中空玻璃微珠来制备一种具有不寻常性能组合的复合材料。通过添加30%体积分数的中空玻璃微珠和相对于中空玻璃微珠1wt%的氧化石墨烯（GO），与环氧树脂(EP)混合后将其制备成低密度，高强度的复合材料。

首先，本文通过哈黙斯法成功制备了GO并将其还原；通过一系列表征方法：FTIR,UV和XRD验证了还原的结果。

其次，在第一步的基础上制备了GO@HGB和rGO@HGB微珠。HGB通过硅烷化处理并通过静电作用产生的力与GO结合在一起，制备成GO@HGB微珠，并通过水热法将GO@HGB微珠还原成rGO@HGB微珠。

最后，在前两部分基础上本文以rGO@HGB为低密度填料，EP为基体，合成了rGO@HGB/EP复合材料。通过红外热成像测试和Hot-disk热导率测试，发现样品未能展现出高热导率这一特性，分析原因推测是HGB的空心部分阻隔了热量传递且低含量的GO未能在材料基体内形成导热网络。

关键词：中空玻璃微珠；氧化石墨烯；聚合物基复合材料；热性能

Preparation and Thermal Conductivity of Hollow Glass Beads/Epoxy Resin Composites

Abstract

In the field of marine and energy research, low density, high strength, high thermal conductivity materials are required, but such coexisting properties are often difficult to obtain in a single material. Therefore, in order to utilize the low density and high strength of the hollow glass microspheres (HGB), and to reduce the thermal conductivity of graphene oxide (rGO). In this paper, hollow glass microspheres coated with reduced graphene oxide are used to prepare a composite material with unusual combination of properties. The low-density, high-strength composite material was prepared by adding 30% by volume of hollow glass microspheres and 1 wt% of graphene oxide (GO) relative to the hollow glass microspheres after mixing with epoxy resin (EP).

Firstly, GO was successfully prepared by the Haas method and reduced. The reduction results were verified by a series of characterization methods: FTIR, UV and XRD.

Secondly, GO@HGB and rGO@HGB microbeads were prepared on the basis of the first step. The HGB is combined with GO by silanization treatment and the force generated by electrostatic interaction to prepare GO@HGB microbeads, and the GO@HGB microbeads are reduced to rGO@HGB microbeads by hydrothermal method.

Finally, based on the first two parts, rGO@HGB/EP composites were synthesized with rGO@HGB as the low density filler and EP as the matrix. Through infrared thermal imaging test and Hot-disk thermal conductivity test, it was found that the sample failed to exhibit high thermal conductivity. The reason for the analysis is that the hollow part of HGB blocks heat transfer and low levels of GO fail to form a thermally conductive network within the material matrix.

KEYWORDS: Hollow glass microspheres; graphene oxide; polymer matrix composites; thermal properties

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 低密度填料概述 1

1.1.1 HGB概述 1

1.1.2 GO概述 1

1.2 EP概述 2

1.3 HGB/EP复合材料研究进展 2

1.4 课题的提出及主要研究内容 3

1.4.1课题的提出 3

1.4.2主要研究内容 3

第二章 GO的制备与还原 4

2.1 实验部分 4

2.1.1 原料 4

2.1.2 实验仪器 4

2.1.3 实验流程 4

2.2 测试与表征 5

2.3 结果讨论 6

第三章 HGB/EP复合材料的制备及热性能测试 9

3.1 实验部分 9

3.1.1 原料 9

3.1.2实验仪器 9

3.1.3 HGB的预处理 9

3.1.4 HGB/EP复合材料的成型固化 11

3.2 测试与表征 11

3.3 结果讨论 12

第四章 结论与展望 18

4.1 结论 18

4.2 展望 19

参考文献 20

致谢 22

绪论

1.1 低密度填料概述

1.1.1 HGB概述

为了减轻复合材料整体的质量，本论文选择低密度的填料作为复合材料的增强材料，而低密度填料的代表是中空玻璃微珠；中空玻璃微珠（Hollow glass beads，简称HGB）是一种无机非金属材料[1]。其结构为空心结构，成分为硼硅酸盐，其密度在0.2-0.6 g/cm³之间；经过特殊处理非常容易分散于树脂等有机材料中，可直接填充于绝大部分类型的热固性材料中[2]。与其他的增强材料，如碳纤维，碳纳米管相比，中空玻璃微珠不仅具有更低的密度和更高的强度，还具有低廉的价格[3]。对其表面就行改性可以大大提高中空玻璃微珠与基体的结合能力。还可以在中空玻璃微珠的表面接枝官能团[4]，使其具有某些特殊性能。目前高性能的空心玻璃微珠生产技术主要由发达国家掌握， 本论文采用三m公司生产的K25中空玻璃微珠作为增强材料[5]。

1.1.2 GO概述

石墨烯的热导率可以高达5000 W/(m·K)，通过将石墨烯添加进材料中可以大大增加导热性能，陈爱兵教授在《石墨烯导热性极其测试方法》充分肯定了石墨烯导热材料的研究意义，在未来很有可能替代电子元件中的散热导热材料，但实现其商业应用，仍需要一套标准的测试方法[6]。虽然石墨烯拥有众多优异的性能，但其稳定的性质阻碍了其应用范围，而与石墨烯不同的是，氧化石墨烯（GO）存在大量活性官能团，例如羟基，大大提高了与聚合物或无机材料之间的相容性[7]。曹海琳等人在文中说明了氧化石墨烯对无机材料玄武岩纤维可进行界面处理，大大增加了无机纤维与环氧树脂之间的相容性[8]。

1.2 EP概述

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