ABS樹脂摻雜氧化石墨烯性能研究

潘維正 史宏洋 吳方平 楊軍

摘 要：本文提出ABS樹脂摻雜氧化石墨烯作為民用無人機材料的設想，并對樣品進行了檢測和分析。分析結果表明，ABS摻雜氧化石墨烯的復合材料在一定程度上符合民用無人機材料“輕質高強”的要求，但在耐高溫方面較欠缺。

關鍵詞：無人機 ABS樹脂 氧化石墨烯摻雜

中圖分類號：TQ327 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（a）-0091-02

自無人機出現后，無論是軍用還是民用，對無人機新型材料的研制便一直是材料領域的焦點。民用無人機主要應用于航拍及娛樂、農林、安防、電力領域，多旋翼無人機則是當前消費級小型民用無人機市場的熱點[1]。本項目主要著眼于民用無人機材料的探索。

由于無人機不需要考慮人的因素，因此材料的種類選擇更加多樣，最突出的特點是復合材料應用比例大大提高，復合材料其用量已遠遠超過有人飛機，甚至出現全復合材料無人機（復合材料用量達到90%以上），比如貝爾公司研制的“鷹眼”傾轉旋翼式無人機機體結構就全部采用復合材料[2]。

目前公認的性能較為優越的無人機復合材料是碳纖維復合材料，與傳統的金屬材料及復合材料相比，碳纖維復合材料具有輕質高強、抗疲勞和防鹽霧侵蝕的特性，應用于無人機結構中可以大大改善和提高無人機的綜合性能[3]。例如碳纖維復合材料的密度僅有鋼的1/5，鋁的3/5，但其強度卻是鋼的5倍，鋁的4倍，另外還有很強的吸振能力可以使無人機在高空飛行時快速恢復為平穩狀態，減少突發事故的發生[4]。

與有人機一樣，無人機對材料選擇起決定因素的也是速度。民用無人機大多為低速，主要選用復合材料，碳纖維復合材料雖然性能優越，但由于生產工藝較復雜，費用昂貴，未到大量推廣階段，一般以價格低廉、性能略差的玻璃纖維復合材料（玻璃纖維增強塑料）取代。玻璃纖維增強塑料俗稱玻璃鋼，密度只有碳鋼的1/4～1/5，拉伸強度卻接近甚至超過碳素鋼，強度可以與高級合金鋼媲美，另外耐腐蝕性能、介電性能、絕熱性能、工藝性能都較好。玻璃纖維復合材料也存在一些缺陷，如彈性模量小，剛性不足，容易變形，長期耐溫性差，層間剪切強度低。

1 ABS樹脂摻雜氧化石墨烯的設想與制備

1.1 ABS樹脂與石墨烯的特點

為探索性價比更高的無人機材料，課題組通過查閱資料，發現未有ABS樹脂摻雜氧化石墨烯的研究。

ABS樹脂是五大合成樹脂之一，是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯組成的三元共聚物（acrylonitrile–butadiene–styrene copolymer，簡稱ABS）。ABS樹脂抗沖擊性、耐熱性、耐低溫性、耐化學藥品性及電氣性能優良，還具有易加工、制品尺寸穩定、表面光澤性好等特點，容易涂裝、著色，還可以進行表面噴鍍金屬、電鍍、焊接、熱壓和粘接等二次加工，廣泛應用于機械、汽車、電子電器、儀器儀表、紡織和建筑等工業領域，是一種用途極廣的熱塑性工程塑料[5]。

自2004年石墨烯（Graphene）被以機械剝離的方法制備并被揭示出獨特的物性以來，世界上物理、化學、材料、電子以及工程領域的科學家都對其投注了巨大的研究興趣。石墨烯是一種由單層碳原子組成的平面二維結構，有極高的強度和熱導，實驗測得石墨烯的楊氏模量可達近1 TPa、熱導率可達3000W/（m·K），與金剛石十分接近。另外，具有良好的導電性、極高的電子遷移率等[6]。

1.2 石墨烯摻雜復合材料的現狀

美國、英國、日本等發達國家正在積極開展石墨烯、石墨烯全碳纖維及其復合材料的研究工作，國內開展相關研究工作的團隊主要有浙江大學的納米高分子高超課題組、北京航空材料研究院的石墨烯團隊、北京理工大學曲良體課題組、中科院金屬研究所石墨烯團隊等。雖然關于石墨烯的實驗室研究成果令人振奮，但其全碳材料及摻雜復合材料的綜合性能遠沒有達到單片石墨烯的性能，石墨烯的工業化生產及其在高聚物基體中的應用還有待深入研究。現有文獻對石墨烯摻雜的研究主要是對其復合物的電學性質的研究，較少對其力學、熱學性能的研究[7-8]。由于石墨烯成本較高，而氧化石墨烯（Graphene Oxide）作為石墨烯的重要衍生物，其結構和性質與石墨烯基本相同。針對這些情況，課題組提出ABS樹脂摻雜氧化石墨烯作為無人機材料的設想。

1.3 ABS樹脂摻雜氧化石墨烯復合材料樣品制作

課題組采用ABS與五層氧化石墨烯以180∶1的比例摻雜，委托廠家制備了純ABS樣品和摻雜樣品，并對兩種樣品進行了分析。

2 樣品檢測結果與分析

2.1 測量結果

測試結果表明，純ABS的硬度為46.5MPa，摻雜氧化石墨烯后為32.1MPa；純ABS的沖擊強度為36kJ/m2，摻雜氧化石墨烯后為65kJ/m2；純ABS和摻雜氧化石墨烯后的耐熱性不變，均為UL945VB；純ABS的熔點為280℃，摻雜氧化石墨烯后為220℃；純ABS的密度為1.18×103kg/m3，摻雜氧化石墨烯后為1.05×103kg/m3。

2.2 對測量結果的分析

由于氧化石墨烯是二維平面結構，硬度較小，導致ABS摻雜氧化石墨烯后硬度變小，但硬度變小對無人機產品成型加工是有利的。由于氧化石墨烯的橋連作用，使ABS摻雜氧化石墨烯后沖擊強度較純ABS大大增強，而這有利于無人機材料“高強”的要求。由于氧化石墨烯是軟相，摻雜后對ABS起軟化作用，導致復合后熔點較純ABS降低，但仍高于200℃，對于除高溫環境外的一般民用無人機是影響不大的。另外，由于氧化石墨烯密度低于ABS，摻雜體密度也低于純ABS，有利于無人機材料“輕質”的要求。

3 結語

課題組通過對目前無人機材料相關文獻的分析，提出ABS摻雜氧化石墨烯作為民用無人機材料的設想，委托廠家制作了樣品，并對樣品進行了檢測和分析。分析結果表明，ABS摻雜氧化石墨烯的復合材料在一定程度上符合民用無人機材料“輕質高強”的要求，但在耐高溫方面較欠缺，今后課題組將繼續對此進行探索，以期找到性能更優越的無人機材料。

參考文獻

[1] 李國軍.民用無人機恐怖襲擊風險評估與防御策略研究[J].中國人民公安大學學報：社會科學版，2017（3）： 9-14.

[2] 杜龍，李朝光，王紅飛.先進復合材料在無人機上的應用及關鍵技術[J].教練機，2017（2）：10-17.

[3] 趙凱，陳虹，張婧，等.碳纖維復合材料在無人機上的應用[J].高科技纖維與應用，2015（4）：39-43.

[4] 何楠，楊加斌，高峰.先進復合材料在軍用無人機上的應用動向[J].玻璃鋼/復合材料，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] 張蕓秋，梁勇明，周建新.石墨烯摻雜的研究進展[J].化學學報，2014（72）：367-377.

[7] 袁祖培，陳潔，唐俊雄，等.石墨烯摻雜聚丙烯復合材料的制備、性能及應用研究進展[J].合成樹脂及塑料，2017（3）：88-92.

[8] 張紫萍，劉秀軍，萬菊，等.氧化石墨烯的制備及其摻雜的炭/炭復合材料導熱性能研究[J].炭技術，2011（30）：1-5.