ABS树脂掺杂氧化石墨烯性能研究

潘维正 史宏洋 吴方平 杨军

摘 要：本文提出ABS树脂掺杂氧化石墨烯作为民用无人机材料的设想，并对样品进行了检测和分析。分析结果表明，ABS掺杂氧化石墨烯的复合材料在一定程度上符合民用无人机材料“轻质高强”的要求，但在耐高温方面较欠缺。

关键词：无人机 ABS树脂 氧化石墨烯掺杂

中图分类号：TQ327 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）01（a）-0091-02

自无人机出现后，无论是军用还是民用，对无人机新型材料的研制便一直是材料领域的焦点。民用无人机主要应用于航拍及娱乐、农林、安防、电力领域，多旋翼无人机则是当前消费级小型民用无人机市场的热点[1]。本项目主要着眼于民用无人机材料的探索。

由于无人机不需要考虑人的因素，因此材料的种类选择更加多样，最突出的特点是复合材料应用比例大大提高，复合材料其用量已远远超过有人飞机，甚至出现全复合材料无人机（复合材料用量达到90%以上），比如贝尔公司研制的“鹰眼”倾转旋翼式无人机机体结构就全部采用复合材料[2]。

目前公认的性能较为优越的无人机复合材料是碳纤维复合材料，与传统的金属材料及复合材料相比，碳纤维复合材料具有轻质高强、抗疲劳和防盐雾侵蚀的特性，应用于无人机结构中可以大大改善和提高无人机的综合性能[3]。例如碳纤维复合材料的密度仅有钢的1/5，铝的3/5，但其强度却是钢的5倍，铝的4倍，另外还有很强的吸振能力可以使无人机在高空飞行时快速恢复为平稳状态，减少突发事故的发生[4]。

与有人机一样，无人机对材料选择起决定因素的也是速度。民用无人机大多为低速，主要选用复合材料，碳纤维复合材料虽然性能优越，但由于生产工艺较复杂，费用昂贵，未到大量推广阶段，一般以价格低廉、性能略差的玻璃纤维复合材料（玻璃纤维增强塑料）取代。玻璃纤维增强塑料俗称玻璃钢，密度只有碳钢的1/4～1/5，拉伸强度却接近甚至超过碳素钢，强度可以与高级合金钢媲美，另外耐腐蚀性能、介电性能、绝热性能、工艺性能都较好。玻璃纤维复合材料也存在一些缺陷，如弹性模量小，刚性不足，容易变形，长期耐温性差，层间剪切强度低。

1 ABS树脂掺杂氧化石墨烯的设想与制备

1.1 ABS树脂与石墨烯的特点

为探索性价比更高的无人机材料，课题组通过查阅资料，发现未有ABS树脂掺杂氧化石墨烯的研究。

ABS树脂是五大合成树脂之一，是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯组成的三元共聚物（acrylonitrile–butadiene–styrene copolymer，简称ABS）。ABS树脂抗冲击性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性及电气性能优良，还具有易加工、制品尺寸稳定、表面光泽性好等特点，容易涂装、着色，还可以进行表面喷镀金属、电镀、焊接、热压和粘接等二次加工，广泛应用于机械、汽车、电子电器、仪器仪表、纺织和建筑等工业领域，是一种用途极广的热塑性工程塑料[5]。

自2004年石墨烯（Graphene）被以机械剥离的方法制备并被揭示出独特的物性以来，世界上物理、化学、材料、电子以及工程领域的科学家都对其投注了巨大的研究兴趣。石墨烯是一种由单层碳原子组成的平面二维结构，有极高的强度和热导，实验测得石墨烯的杨氏模量可达近1 TPa、热导率可达3000W/（m·K），与金刚石十分接近。另外，具有良好的导电性、极高的电子迁移率等[6]。

1.2 石墨烯掺杂复合材料的现状

美国、英国、日本等发达国家正在积极开展石墨烯、石墨烯全碳纤维及其复合材料的研究工作，国内开展相关研究工作的团队主要有浙江大学的纳米高分子高超课题组、北京航空材料研究院的石墨烯团队、北京理工大学曲良体课题组、中科院金属研究所石墨烯团队等。虽然关于石墨烯的实验室研究成果令人振奋，但其全碳材料及掺杂复合材料的综合性能远没有达到单片石墨烯的性能，石墨烯的工业化生产及其在高聚物基体中的应用还有待深入研究。现有文献对石墨烯掺杂的研究主要是对其复合物的电学性质的研究，较少对其力学、热学性能的研究[7-8]。由于石墨烯成本较高，而氧化石墨烯（Graphene Oxide）作为石墨烯的重要衍生物，其结构和性质与石墨烯基本相同。针对这些情况，课题组提出ABS树脂掺杂氧化石墨烯作为无人机材料的设想。

1.3 ABS树脂掺杂氧化石墨烯复合材料样品制作

课题组采用ABS与五层氧化石墨烯以180∶1的比例掺杂，委托厂家制备了纯ABS样品和掺杂样品，并对两种样品进行了分析。

2 样品检测结果与分析

2.1 测量结果

测试结果表明，纯ABS的硬度为46.5MPa，掺杂氧化石墨烯后为32.1MPa；纯ABS的冲击强度为36kJ/m2，掺杂氧化石墨烯后为65kJ/m2；纯ABS和掺杂氧化石墨烯后的耐热性不变，均为UL945VB；纯ABS的熔点为280℃，掺杂氧化石墨烯后为220℃；纯ABS的密度为1.18×103kg/m3，掺杂氧化石墨烯后为1.05×103kg/m3。

2.2 对测量结果的分析

由于氧化石墨烯是二维平面结构，硬度较小，导致ABS掺杂氧化石墨烯后硬度变小，但硬度变小对无人机产品成型加工是有利的。由于氧化石墨烯的桥连作用，使ABS掺杂氧化石墨烯后冲击强度较纯ABS大大增强，而这有利于无人机材料“高强”的要求。由于氧化石墨烯是软相，掺杂后对ABS起软化作用，导致复合后熔点较纯ABS降低，但仍高于200℃，对于除高温环境外的一般民用无人机是影响不大的。另外，由于氧化石墨烯密度低于ABS，掺杂体密度也低于纯ABS，有利于无人机材料“轻质”的要求。

3 结语

课题组通过对目前无人机材料相关文献的分析，提出ABS掺杂氧化石墨烯作为民用无人机材料的设想，委托厂家制作了样品，并对样品进行了检测和分析。分析结果表明，ABS掺杂氧化石墨烯的复合材料在一定程度上符合民用无人机材料“轻质高强”的要求，但在耐高温方面较欠缺，今后课题组将继续对此进行探索，以期找到性能更优越的无人机材料。

参考文献

[1] 李国军.民用无人机恐怖袭击风险评估与防御策略研究[J].中国人民公安大学学报：社会科学版，2017（3）： 9-14.

[2] 杜龙，李朝光，王红飞.先进复合材料在无人机上的应用及关键技术[J].教练机，2017（2）：10-17.

[3] 赵凯，陈虹，张婧，等.碳纤维复合材料在无人机上的应用[J].高科技纤维与应用，2015（4）：39-43.

[4] 何楠，杨加斌，高峰.先进复合材料在军用无人机上的应用动向[J].玻璃钢/复合材料，2013（2）：94-97.

[5] ABS塑料[EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/ABS%E5%A1%91%E6%96%99/2220019？fr=aladdin.

[6] 张芸秋，梁勇明，周建新.石墨烯掺杂的研究进展[J].化学学报，2014（72）：367-377.

[7] 袁祖培，陈洁，唐俊雄，等.石墨烯掺杂聚丙烯复合材料的制备、性能及应用研究进展[J].合成树脂及塑料，2017（3）：88-92.

[8] 张紫萍，刘秀军，万菊，等.氧化石墨烯的制備及其掺杂的炭/炭复合材料导热性能研究[J].炭技术，2011（30）：1-5.