石墨烯/环氧树脂复合材料的最新进展和航空应用

2023-08-01 来源：复材应用技术浏览数：970

　　石墨烯具有优异的电学和热力学等性能，不仅是理想的导热材料，同时也是室温下导电性最佳的材料，因此石墨烯被认为是树脂基复合材料提升导电、导热性能的理想填料。

　　环氧树脂的典型特点是黏结性强，这是由于环氧分子结构中具有较大活性的含氧基团，非常活泼，易与其他基团发生反应，且有较强的黏结性，能够提高材料的剪切强度。其次，环氧树脂的稳定性和耐腐蚀性较强，且环氧树脂未固化时可溶于大部分的有机溶剂中，因此可在室温状态下长期密闭贮存。更重要的是，在固化后环氧树脂体系中的分子间距会更加紧密，能够形成稳定的三维网状结构，可与其他材料以任意比例混合，这就造就了环氧树脂良好的加工性能。但是，环氧树脂并不耐高温和耐紫外光，且固化物的冲击性能较差。在最近的文献报告中，加入纳米材料等添加相对其改性，其中，石墨烯在环氧树脂增强、增韧改性方面具有良好的应用前景。因此，石墨烯/环氧树脂复合材料引起了广泛的研究和关注。

　　1、石墨烯添加量对石墨烯/环氧复合材料性能的影响

　　石墨烯的添加量对复合材料的性能有着重要的影响，也是近些年石墨烯/环氧树脂复合材料研究的重要方向，图1汇总了一些典型的研究成果。Fu Yuan-xiang团队研究发现石墨烯最大添加量为10.1%时，复合材料的热导率为4.01 W·m-1·K-1，较纯环氧树脂相比提升了22倍，能够有效地应用在热管理方面。研究发现对于固定的石墨烯-环氧体系，在环氧树脂中添加不同量石墨烯纳米条带（GNP）并不总会显著改善拉伸性能，而拉伸塑性和断裂韧性会随GNP浓度发生变化，因为GNP/环氧树脂复合材料存在软相的“白化区”，在较高浓度下GNP会发生团聚，导致其断裂机理改变。Kernin等通过高度剪切的三辊研磨手段，构建出石墨烯环氧树脂网络，研究了石墨烯纳米填料随时间的动态变化过程，同时实现了在较低的石墨烯添加量下（0.5%），复合材料也能够获得良好的电导率和导热性能，与低浓度相反，Varenik等改变石墨烯添加量，实现石墨烯在较高的添加量下（16%），复合材料的黏度能够调整至所需的导热系数值。Prolongo等则通过对GNP添加量的实验研究，发现复合材料的机械强度随GNP添加量的增大而增加，在8%的添加量下，热扩散率最大增加了210%。除了关注石墨烯的添加量之外，Shen等探究了石墨烯层数对环氧树脂复合材料热导率的影响，创新性地采用分子动力学方法，模拟计算嵌入石墨烯平面和界面方向的热导率，发现当添加超过10层的石墨烯纳米条带、含量为2.8%（体积分数）时，其复合材料的热导率为1.5 W·m-1·K-1。Long等制备出功能化石墨烯氧化物（FGO），并用光谱表征其化学结构，将0.2%的FGO填充到环氧树脂中，得到复合材料的拉伸强度可达2.76 GPa。

　　图 1 不同石墨烯添加量下石墨烯/环氧树脂的电导率、热导率

　　2、石墨烯添加形态对石墨烯/环氧复合材料性能的影响

　　石墨烯添加相的不同形态对其复合材料的性能有重要影响，石墨烯的薄膜形态和其排列是研究的热点，图2汇总了相关较为典型的研究成果。BusteroI等通过自支撑膜的方法部分解决了液体技术中常见的高黏度问题，通过在环氧树脂和碳纳米管巴克纸（CNT-BP）中嵌入2种不同的独立式石墨烯薄膜，发现当引入30%的石墨烯时，环氧树脂聚合物的导热系数从0.20W·m-1·K-1提高到20W·m-1·K-1。同为石墨烯薄膜形态，Zhang等研究发现，定向排列可形成散热通道，在石墨烯添加量为44%时，复合材料的导热系数高达384.9 W·m-1·K-1，相比纯环氧树脂提高了约3570%。与之相似，Hao H等在不同热流传导方向之间形成石墨烯热通道，证实了尺寸相关的微观结构能够从各向异性进一步转变为各向同性，在引入5.5%的石墨烯添加量下，复合材料的热导率为10W·m-1·K-1，达到纯环氧树脂的55倍，以上证明了石墨烯添加相形成的散热通道对其提高导热性的重要作用。

　　图 2 不同石墨烯添加形态下石墨烯/环氧树脂的电导率、热导率

　　石墨烯/环氧树脂复合材料的航空应用

　　复合材料以其强度高、重量轻等优良性能，应用范围不断拓展，在实际应用上逐步代替金属材料，尤其是在航空领域中展现了极大的应用潜力。研究人员发现，在飞机机翼上包覆石墨烯/环氧树脂复合材料的涂层可有效去除机翼上的冰翼，实验表明在零下20℃的环境条件下，涂层仍可融化机翼旋叶上数厘米厚的冰层。该方法在除冰系统中属于主动式防冰法，不仅能够避免化学防冰方法产生的环境污染问题，也具有更为广泛的适用范围和潜力。

　　在防冰系统的应用方面，Raji等通过制备超薄的石墨烯纳米带薄膜，该石墨烯薄膜可以实现射频传输，即使在温度非常低的条件下，也能够保持极高的光学透明度，通过对薄膜电阻进行调整，如图1所示实验证明，通过化学和超声处理的石墨烯纳米带薄膜能够在寒冷的条件下加热除冰，展示了航空覆冰应用的巨大潜力。