前　言▲PREFACE石墨烯作为一种二维晶体结构材料，具有诸多卓越的性能优势，其优异的导电性能、超强的力学性能、出色的导热性能以及高透明性赋予石墨烯在电学、力学、热学和光学领域广阔的应用前景，被视为革命性材料。将石墨烯与其他材料复合能够有效提升材料的力学性能，同时赋予其丰富的功能特性。基于石墨烯的复合材料不仅可以用于制造轻量化产品和高性能电子器件，还具备广阔的实际应用潜力，包括航空航天领域的承载结构、汽车零部件、柔性显示屏、智能穿戴设备等，这为石墨烯复合材料在各个领域的持续发展和应用提供了坚实基础，推动着材料科学和工程技术的不断创新进步。当前，石墨烯聚合物复合材料的研究工作在基础研究和产品应用开发方面都已取得了很大进展，但依然存在很多基础科学问题有待进一步探索解决。本书是作者近几年来围绕石墨烯及氧化石墨烯复合材料在力学、材料科学及功能材料领域所开展的相关基础研究的一个总结，旨在帮助读者更好地理解石墨烯复合材料的一些基础科学问题及其在应用过程中的力学设计原理与功能化方法，促进其在工程领域的应用。本书是太原理工大学航空航天学院轻质复合材料与结构力学行为研究课题组多年来研究成果的反映，得到了山西省高等教育;百亿工程的支持。全书共分为六章内容：第1章绪论部分主要介绍本书的研究背景，国内外关于石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯或氧化石墨烯聚合物复合材料的相关研究进展，以及本书的主要研究内容、方法和研究意义；第2章主要介绍氧化石墨烯在聚合物复合材料中形成的微观结构对其力学性能和功能性的影响机制；第3章主要介绍氧化石墨烯在聚合物复合材料中形成的仿生贝壳珍珠层微观结构和界面，以及该微观结构和界面对其材料力学性能的影响机制；第4章主要介绍氧化石墨烯基仿生贝壳珍珠层聚合物复合材料的内部界面设计与优化调控；第5章主要研究石墨烯和碳纳米管协同增强聚合物复合材料的力学行为及其损伤微波自修复性能；第6章概括了本研究获得的重要结果和结论。本书部分研究工作是探索性的，限于作者水平，书中错误和纰漏在所难免，恳请广大读者批评指正。李永存2024年10月

本书介绍了作者近年来在石墨烯及氧化石墨烯复合材料内部微观结构和界面力学设计与功能化方面的研究工作，涵盖了石墨烯及氧化石墨烯复合材料制备、微观结构、力学性能与强韧化、仿生设计、界面优化、损伤修复等方面的研究成果，主要内容包括：石墨烯或氧化石墨烯聚合物复合材料的当前研究进展和存在的问题，石墨烯及氧化石墨烯复合材料制备、材料内部微观结构和异质界面的力学仿生设计、材料变形破坏微观力学机制、材料内部损伤破坏的微波修复与;微波_物质耦合机理等。

本书介绍了作者近年来在石墨烯及氧化石墨烯复合材料内部微观结构和界面力学设计与功能化方面的研究工作，涵盖了石墨烯及氧化石墨烯复合材料制备、微观结构、力学性能与强韧化、仿生设计、界面优化、损伤修复等方面的研究成果，主要内容包括：石墨烯或氧化石墨烯聚合物复合材料的当前研究进展和存在的问题，石墨烯及氧化石墨烯复合材料制备、材料内部微观结构和异质界面的力学仿生设计、材料变形破坏微观力学机制、材料内部损伤破坏的微波修复与;微波_物质耦合机理等。本书可作为复合材料、力学、材料科学等专业高年级本科生、研究生、研究人员和工程师的参考书。

太原理工大学航空航天学院李永存

目　录▲CONTENTS前　言第1章　绪论11.1　研究背景11.2　国内外研究现状11.2.1　石墨烯及氧化石墨烯材料11.2.2　石墨烯及氧化石墨烯增强聚合物复合材料的结构和界面41.2.3　石墨烯及氧化石墨烯增强聚合物复合材料的力学性能61.2.4　石墨烯及氧化石墨烯增强聚合物复合材料的功能特性81.3　主要研究内容、方法和意义9参考文献10第2章　从无序到有序微观结构对氧化石墨烯增强聚氨酯复合材料力学性能和功能化的影响172.1　引言172.2　材料制备与性能测试182.2.1　氧化石墨烯增强聚氨酯复合薄膜的制备182.2.2　氧化石墨烯增强聚氨酯复合薄膜力学性能测试及形貌表征192.3　氧化石墨烯增强聚氨酯复合薄膜力学性能192.4　氧化石墨烯增强聚氨酯薄膜内部微观结构特征202.5　复合薄膜内部微观结构调控下的应力分布与应力传递222.5.1　含有低量氧化石墨烯增强聚氨酯复合薄膜内部应力分析222.5.2　含有中量氧化石墨烯增强聚氨酯复合薄膜内部应力分析232.5.3　含有高量氧化石墨烯增强聚氨酯复合薄膜内部应力分析252.6　氧化石墨烯增强聚氨酯复合薄膜力学增强机制分析272.7　氧化石墨烯增强聚氨酯复合薄膜的功能性拓展282.8　本章小结29参考文献30第3章　微观结构和界面结合对氧化石墨烯基仿生贝壳复合材料力学性能的影响机制323.1　引言323.2　材料制备与性能测试333.2.1　氧化石墨烯基仿生贝壳珍珠层薄膜制备333.2.2　氧化石墨烯基仿生贝壳珍珠层纤维的制备343.2.3　氧化石墨烯基仿生贝壳珍珠层复合材料力学性能测试与形貌表征353.3　层间结构和界面调控下氧化石墨烯基仿生贝壳薄膜力学行为353.3.1　氧化石墨烯基仿生贝壳珍珠层薄膜力学性能353.3.2　层间结构对氧化石墨烯基仿生贝壳珍珠层薄膜力学性能的影响373.3.3　界面结合对氧化石墨烯基仿生贝壳珍珠层薄膜力学性能的影响393.4　层间结构和界面调控下氧化石墨烯基仿生贝壳珍珠层纤维力学性能423.4.1　氧化石墨烯基仿生贝壳珍珠层纤维力学性能433.4.2　层间结构调控氧化石墨烯基仿生贝壳珍珠层纤维力学性能453.4.3　界面结合调控氧化石墨烯基仿生贝壳珍珠层纤维力学性能513.5　层间缺陷对氧化石墨烯基仿生贝壳珍珠层纤维力学性能的影响523.6　本章小结55参考文献56第4章　氧化石墨烯基仿生贝壳珍珠层材料界面设计与优化594.1　引言594.2　材料的制备与性能测试604.2.1　聚乙烯醇/氧化石墨烯_碳纳米管仿生贝壳珍珠层薄膜制备604.2.2　聚乙烯醇/氧化石墨烯基仿生贝壳珍珠层三维块体的制备614.2.3　样品的力学性能测试及微观形貌表征634.3　氧化石墨烯基仿生贝壳材料的层内界面设计与调控644.3.1　聚乙烯醇/氧化石墨烯_碳纳米管仿生贝壳薄膜的力学性能644.3.2　聚乙烯醇/氧化石墨烯_碳纳米管仿生薄膜的有限元模拟654.3.3　层内界面调控下的损伤破坏行为及其强韧化机制684.4　氧化石墨烯基仿生贝壳珍珠层材料的层间界面设计与调控754.4.1　聚乙烯醇/氧化石墨烯基仿生贝壳三维块体的力学性能754.4.2　聚乙烯醇/氧化石墨烯基仿生贝壳三维块体的有限元分析774.4.3　层间界面调控下的损伤破坏行为及其强韧化机制824.4.4　还原氧化石墨烯基三维块体复合材料的电学性能和电热效应874.5　本章小结88参考文献89第5章　石墨烯和碳纳米管协同增强聚氨酯复合材料的力学行为及其损伤微波自修复性能915.1　引言915.2　材料的制备与性能测试935.2.1　石墨烯_碳纳米管/聚氨酯复合薄膜的制备935.2.2　;石墨烯_碳纳米管异质结构增强聚氨酯复合薄膜的制备935.2.3　材料的表征945.2.4　材料的力学性能测试945.2.5　数值模拟建模方法945.3　石墨烯和碳纳米管协同增强聚氨酯复合材料力学性能955.3.1　石墨烯_碳纳米管/聚氨酯复合材料力学性能955.3.2　石墨烯和碳纳米管对聚氨酯复合材料的力学协同增强机理965.4　石墨烯_碳纳米管/聚氨酯复合材料的损伤自修复1015.4.1　石墨烯_碳纳米管/聚氨酯复合材料自修复性能1015.4.2　石墨烯_碳纳米管/聚氨酯复合材料的微波修复机理1025.5　;石墨烯_碳纳米管异质结构对聚氨酯力学和自修复性能的协同效应1075.5.1　;石墨烯_碳纳米管增强聚氨酯的力学和自修复性能1075.5.2　;石墨烯_碳纳米管异质结构对聚氨酯的力学增强协同效应1085.5.3　;石墨烯_碳纳米管异质结构对聚氨酯自修复性能的协同效应1125.6　本章小结115参考文献116第6章　结语119