石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的最新進(jìn)展和航空應(yīng)用

石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)和熱力學(xué)等性能，不僅是理想的導(dǎo)熱材料，同時也是室溫下導(dǎo)電性最佳的材料，因此石墨烯被認(rèn)為是樹脂基復(fù)合材料提升導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的理想填料。

環(huán)氧樹脂的典型特點(diǎn)是黏結(jié)性強(qiáng)，這是由于環(huán)氧分子結(jié)構(gòu)中具有較大活性的含氧基團(tuán)，非常活潑，易與其他基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，且有較強(qiáng)的黏結(jié)性，能夠提高材料的剪切強(qiáng)度。其次，環(huán)氧樹脂的穩(wěn)定性和耐腐蝕性較強(qiáng)，且環(huán)氧樹脂未固化時可溶于大部分的有機(jī)溶劑中，因此可在室溫狀態(tài)下長期密閉貯存。更重要的是，在固化后環(huán)氧樹脂體系中的分子間距會更加緊密，能夠形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可與其他材料以任意比例混合，這就造就了環(huán)氧樹脂良好的加工性能。但是，環(huán)氧樹脂并不耐高溫和耐紫外光，且固化物的沖擊性能較差。在最近的文獻(xiàn)報(bào)告中，加入納米材料等添加相對其改性，其中，石墨烯在環(huán)氧樹脂增強(qiáng)、增韌改性方面具有良好的應(yīng)用前景。因此，石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料引起了廣泛的研究和關(guān)注。

石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的最新研究進(jìn)展

1、石墨烯添加量對石墨烯/環(huán)氧復(fù)合材料性能的影響

石墨烯的添加量對復(fù)合材料的性能有著重要的影響，也是近些年石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料研究的重要方向，圖1匯總了一些典型的研究成果。Fu Yuan-xiang團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)石墨烯最大添加量為10.1%時，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為4.01 W·m-1·K-1，較純環(huán)氧樹脂相比提升了22倍，能夠有效地應(yīng)用在熱管理方面。研究發(fā)現(xiàn)對于固定的石墨烯-環(huán)氧體系，在環(huán)氧樹脂中添加不同量石墨烯納米條帶（GNP）并不總會顯著改善拉伸性能，而拉伸塑性和斷裂韌性會隨GNP濃度發(fā)生變化，因?yàn)镚NP/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料存在軟相的“白化區(qū)”，在較高濃度下GNP會發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致其斷裂機(jī)理改變。Kernin等通過高度剪切的三輥研磨手段，構(gòu)建出石墨烯環(huán)氧樹脂網(wǎng)絡(luò)，研究了石墨烯納米填料隨時間的動態(tài)變化過程，同時實(shí)現(xiàn)了在較低的石墨烯添加量下（0.5%），復(fù)合材料也能夠獲得良好的電導(dǎo)率和導(dǎo)熱性能，與低濃度相反，Varenik等改變石墨烯添加量，實(shí)現(xiàn)石墨烯在較高的添加量下（16%），復(fù)合材料的黏度能夠調(diào)整至所需的導(dǎo)熱系數(shù)值。Prolongo等則通過對GNP添加量的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度隨GNP添加量的增大而增加，在8%的添加量下，熱擴(kuò)散率最大增加了210%。除了關(guān)注石墨烯的添加量之外，Shen等探究了石墨烯層數(shù)對環(huán)氧樹脂復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響，創(chuàng)新性地采用分子動力學(xué)方法，模擬計(jì)算嵌入石墨烯平面和界面方向的熱導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)添加超過10層的石墨烯納米條帶、含量為2.8%（體積分?jǐn)?shù)）時，其復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為1.5 W·m-1·K-1。Long等制備出功能化石墨烯氧化物（FGO），并用光譜表征其化學(xué)結(jié)構(gòu)，將0.2%的FGO填充到環(huán)氧樹脂中，得到復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度可達(dá)2.76 GPa。

圖1不同石墨烯添加量下石墨烯/環(huán)氧樹脂的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率

2、石墨烯添加形態(tài)對石墨烯/環(huán)氧復(fù)合材料性能的影響

石墨烯添加相的不同形態(tài)對其復(fù)合材料的性能有重要影響，石墨烯的薄膜形態(tài)和其排列是研究的熱點(diǎn)，圖2匯總了相關(guān)較為典型的研究成果。BusteroI等通過自支撐膜的方法部分解決了液體技術(shù)中常見的高黏度問題，通過在環(huán)氧樹脂和碳納米管巴克紙（CNT-BP）中嵌入2種不同的獨(dú)立式石墨烯薄膜，發(fā)現(xiàn)當(dāng)引入30%的石墨烯時，環(huán)氧樹脂聚合物的導(dǎo)熱系數(shù)從0.20W·m-1·K-1提高到20W·m-1·K-1。同為石墨烯薄膜形態(tài)，Zhang等研究發(fā)現(xiàn)，定向排列可形成散熱通道，在石墨烯添加量為44%時，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)384.9 W·m-1·K-1，相比純環(huán)氧樹脂提高了約3570%。與之相似，Hao H等在不同熱流傳導(dǎo)方向之間形成石墨烯熱通道，證實(shí)了尺寸相關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)能夠從各向異性進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨蛲裕谝?.5%的石墨烯添加量下，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為10W·m-1·K-1，達(dá)到純環(huán)氧樹脂的55倍，以上證明了石墨烯添加相形成的散熱通道對其提高導(dǎo)熱性的重要作用。

圖 2 不同石墨烯添加形態(tài)下石墨烯/環(huán)氧樹脂的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率

石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的航空應(yīng)用

復(fù)合材料以其強(qiáng)度高、重量輕等優(yōu)良性能，應(yīng)用范圍不斷拓展，在實(shí)際應(yīng)用上逐步代替金屬材料，尤其是在航空領(lǐng)域中展現(xiàn)了極大的應(yīng)用潛力。研究人員發(fā)現(xiàn)，在飛機(jī)機(jī)翼上包覆石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的涂層可有效去除機(jī)翼上的冰翼，實(shí)驗(yàn)表明在零下20℃的環(huán)境條件下，涂層仍可融化機(jī)翼旋葉上數(shù)厘米厚的冰層。該方法在除冰系統(tǒng)中屬于主動式防冰法，不僅能夠避免化學(xué)防冰方法產(chǎn)生的環(huán)境污染問題，也具有更為廣泛的適用范圍和潛力。

在防冰系統(tǒng)的應(yīng)用方面，Raji等通過制備超薄的石墨烯納米帶薄膜，該石墨烯薄膜可以實(shí)現(xiàn)射頻傳輸，即使在溫度非常低的條件下，也能夠保持極高的光學(xué)透明度，通過對薄膜電阻進(jìn)行調(diào)整，如圖1所示實(shí)驗(yàn)證明，通過化學(xué)和超聲處理的石墨烯納米帶薄膜能夠在寒冷的條件下加熱除冰，展示了航空覆冰應(yīng)用的巨大潛力。

圖 3石墨烯復(fù)合薄膜及除冰實(shí)驗(yàn)

圖 4石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合薄膜的焦耳加熱及航空防覆冰應(yīng)用