哈尔滨工业大学Guanjun Liu等--聚乙烯/石墨烯薄片复合材料与不锈钢之间结合强度的提高及其在IV型储罐中的应用

热塑性衬里和金属凸台之间的低结合强度容易导致氢气泄漏，这是IV型储氢罐发展的最重要挑战之一。在此，采用将石墨烯薄片（GFs）加入聚合物基体的方法来增强聚乙烯（PE）与不锈钢之间的粘合力。粘接试验表明，与纯PE相比，PE/0.5 wt% GFs复合材料的结合强度比不锈钢提高了一个数量级。通过接触角测试、数字图像和SEM观察，探讨了粘附增强的机理。鉴定试验结果表明，结合强度的提高归因于GFs引起的机械联锁以及GFs与不锈钢之间的强相互作用。该方法对Ⅳ型储罐塑料衬里的制造具有重要的指导意义。

图1. （a）搭接剪切试样和（b）粘合拉伸试样的示意图。

图2. 三种不锈钢表面的高度图、三维剖面图和相应的SEM图像。（a）未经处理的镜面；用（b）1000目和（c）400目砂纸打磨粗糙表面。

图3. （a）表面粗糙度对搭接剪切强度的影响；（b）机械联锁原理。

图4. 与GFs浓度相关的搭接剪切强度。

图5. 与GFs浓度相关的拉伸粘合强度。

图6. 纯PE和PE/GFs复合材料的（a）接触角和（b）表面能。

图7. （a）失效模式示意图。（b）关于GFs含量的搭接剪切试样断裂面图像。（c） 关于GFs含量的粘接拉伸接头断裂面图像。

图8. 失效表面的SEM图像。（a）GFs浓度为0.5 wt%的粘接接头的失效模式。（b） GFs浓度为0. 5wt%的复合材料嵌入不锈钢表面的凹槽中。（c）GFs浓度为3.0 wt%的粘接接头的微观失效形态。（d）GFs浓度为5.0 wt%的粘接接头的微观失效形态。（e）嵌入槽中的GFs或（f）不锈钢表面上的槽与不锈钢表面重叠。

图9. （a）含3.0 wt% GFs的PE/GFs复合材料和（b）含5.0 wt% GFs的PE/GFs复合材料的蚀刻断面形貌的SEM图像。（c）含3.0 wt% GFs的PE/GFs复合材料和（d）含5.0 wt% GFs的PE/GFs复合材料的PLM显微照片。（e）非共价功能化GFs的TEM图像。（f）复合材料熔体粘度增加引起的孔隙。（g）和（h）连续GFs网络结构。

图10. 连续GFs网络阻止复合材料穿透凹槽的机理。

相关研究成果由哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室Guanjun Liu等人于2021年发表在Journal of Energy Storage (https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103142)上。原文：Enhancement of bonding strength between polyethylene/graphene flakes composites and stainless steel and its application in type IV storage tanks。