碳纖維增強復合材料已在汽車、海洋和航空航天工業(yè)等多個行業(yè)得到應用。這些材料具有優(yōu)異的抗拉強度，但受到脆性和界面粘合性差等缺陷的影響，材料可能分層并嚴重退化。
蓋世汽車訊 據(jù)外媒報道，印度石油與能源研究大學（University of Petroleum and Energy Studies）和意大利薩萊諾大學（University of Salerno）的研究人員在《聚合物》（Polymers）雜志上發(fā)表了一篇論文，探討氧化石墨烯對功能化碳纖維增強復合材料（CFRP）的影響。
碳纖維增強復合材料
CFRP 已在汽車、海洋和航空航天工業(yè)等多個行業(yè)得到應用。這些材料具有優(yōu)異的抗拉強度，但受到脆性和界面粘合性差等缺陷的影響，材料可能分層并嚴重退化。
為了解決這些問題，有一種策略是結合不同形式的碳納米結構。目前，已有若干研究探討過利用這類材料來提高這些復合材料的力學性能，并引入諸如自愈合、自傳感和除冰等功能特性，以及在制造過程中節(jié)約能源。
不同形式的碳納米結構
在復合材料中加入不同形式的碳納米結構，可以實現(xiàn)不同的功能特性，并提升機械性能。例如，加入多壁碳納米管，可以提高復合材料的導電性，而制造工藝則會影響導電性的具體數(shù)值。加入石墨烯基納米顆粒，可以進一步改善一些取決于熱管理的功能特性，并降低環(huán)氧樹脂基復合材料的濕度。
制備單層石墨烯一直是人們研究的重點，但到目前為止，還未開發(fā)出具有優(yōu)異導電性和相關功能特性的高性能材料。在制造過程中，石墨烯層往往會重組，阻礙形成無缺陷材料。為了避免材料重組，需要采用功能化步驟，而這會使工藝更加復雜，并帶來諸如電子性能降低等挑戰(zhàn)。
由堆疊的石墨烯層組成的氧化石墨烯納米片，可以解決這些問題。將氧化石墨烯納米顆粒分散在聚合物基體中，還可以在浸漬過程中提高碳纖維與環(huán)氧基體之間的粘附力。石墨烯納米顆粒中存在的極性官能團，提供了與環(huán)氧基體的強相互作用。納米顆粒的核心結構，可以促進與碳纖維的強相互作用。
在幾篇論文報告過石墨烯納米顆粒為樹脂提供官能團的能力，而另一些論文則提到了促進聚合物和增強碳纖維之間的粘附力。改善聚合物與碳纖維之間的粘合，對提高復合材料的整體性能，起著重要作用。
本項研究
在本項研究中，研究人員綜合評估近年來利用氧化石墨烯納米顆粒來改善 CFRP 性能的研究進展，并對現(xiàn)有文獻中的 91 篇相關論文進行了分析和評述。
加入氧化石墨烯納米片，可以改善這些材料的粘彈性、熱學、機械和電學性能。這項研究涉及官能團對這些復合材料共價功能化的作用。氧化石墨烯的關鍵作用是，打開了纖維表面和聚合物基體中的反應位點。研究人員指出，不同的官能團對復合材料具有不同的影響。羥基為纖維提供了含空隙和球狀樹突表面的拓撲結構，而羧基具有氧化相同表面的效果。這兩個基團都為纖維提供了開放空間，以加強與聚合物基體的互鎖。
有幾種功能化方法可以改善界面粘附性。使用硅烷偶聯(lián)劑很受關注，因為它們在材料的邊緣和表面產生羥基、羧基和胺基。
可以使用不同的制備工藝，改善氧化石墨烯在聚合物基體中的分散狀態(tài)。其中三輥銑削可以讓分散更均勻（其他技術包括超聲破碎法和剪切混合）。這是因為該方法易于操作，而且與其他方法不同，不需要額外使用溶劑。然而，研究人員指出，想要獲得均勻的氧化石墨烯納米顆粒分散體，仍然存在一定挑戰(zhàn)。與纖維表面改性的相容性優(yōu)于氧化石墨烯 / 基體改性。
此外，研究人員還對氧化石墨烯改性復合材料的應用現(xiàn)狀和前景進行了綜述。這些材料可用于航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)、軍事和土木工程部門，包括發(fā)動機部件、下一代防彈衣等彈道系統(tǒng)以及懸索橋的電纜等應用。復合材料已被用于儲能設備和傳感能力的研究。
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