當(dāng)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料遇上氧化石墨烯，會(huì)擦出怎樣的火花？

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已在汽車、海洋和航空航天工業(yè)等多個(gè)行業(yè)得到應(yīng)用。這些材料具有優(yōu)異的抗拉強(qiáng)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(yán)重退化。

蓋世汽車訊 據(jù)外媒報(bào)道，印度石油與能源研究大學(xué)（University of Petroleum and Energy Studies）和意大利薩萊諾大學(xué)（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(duì)功能化碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）的影響。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

CFRP 已在汽車、海洋和航空航天工業(yè)等多個(gè)行業(yè)得到應(yīng)用。這些材料具有優(yōu)異的抗拉強(qiáng)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(yán)重退化。

為了解決這些問題，有一種策略是結(jié)合不同形式的碳納米結(jié)構(gòu)。目前，已有若干研究探討過利用這類材料來提高這些復(fù)合材料的力學(xué)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(jié)構(gòu)

在復(fù)合材料中加入不同形式的碳納米結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)不同的功能特性，并提升機(jī)械性能。例如，加入多壁碳納米管，可以提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性，而制造工藝則會(huì)影響導(dǎo)電性的具體數(shù)值。加入石墨烯基納米顆粒，可以進(jìn)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(fù)合材料的濕度。

制備單層石墨烯一直是人們研究的重點(diǎn)，但到目前為止，還未開發(fā)出具有優(yōu)異導(dǎo)電性和相關(guān)功能特性的高性能材料。在制造過程中，石墨烯層往往會(huì)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(huì)使工藝更加復(fù)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(tuán)，提供了與環(huán)氧基體的強(qiáng)相互作用。納米顆粒的核心結(jié)構(gòu)，可以促進(jìn)與碳纖維的強(qiáng)相互作用。

在幾篇論文報(bào)告過石墨烯納米顆粒為樹脂提供官能團(tuán)的能力，而另一些論文則提到了促進(jìn)聚合物和增強(qiáng)碳纖維之間的粘附力。改善聚合物與碳纖維之間的粘合，對(duì)提高復(fù)合材料的整體性能，起著重要作用。

本項(xiàng)研究

在本項(xiàng)研究中，研究人員綜合評(píng)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(jìn)展，并對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)中的 91 篇相關(guān)論文進(jìn)行了分析和評(píng)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(xué)、機(jī)械和電學(xué)性能。這項(xiàng)研究涉及官能團(tuán)對(duì)這些復(fù)合材料共價(jià)功能化的作用。氧化石墨烯的關(guān)鍵作用是，打開了纖維表面和聚合物基體中的反應(yīng)位點(diǎn)。研究人員指出，不同的官能團(tuán)對(duì)復(fù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而羧基具有氧化相同表面的效果。這兩個(gè)基團(tuán)都為纖維提供了開放空間，以加強(qiáng)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(guān)注，因?yàn)樗鼈冊诓牧系倪吘壓捅砻娈a(chǎn)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(shù)包括超聲破碎法和剪切混合）。這是因?yàn)樵摲椒ㄒ子诓僮鳎遗c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(duì)氧化石墨烯改性復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景進(jìn)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(dòng)機(jī)部件、下一代防彈衣等彈道系統(tǒng)以及懸索橋的電纜等應(yīng)用。復(fù)合材料已被用于儲(chǔ)能設(shè)備和傳感能力的研究。