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(shí)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(shí)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(huì)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(duì)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。

 

　　石墨烯添加量對(duì)石墨烯/環(huán)氧復(fù)合材料性能的影響

 

　　石墨烯的添加量對(duì)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(shí)，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(duì)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(huì)顯著改善拉伸性能，而拉伸塑性和斷裂韌性會(huì)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(huì)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(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過程，同時(shí)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(duì)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(duì)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(dòng)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(shí)，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。

 

　　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。

 

　　飛機(jī)機(jī)翼除冰

 

　　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(dòng)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(duì)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。
 

　　

復(fù)合材料貯箱

 

　　以往航天器低溫貯箱均由金屬制成，然而，金屬材料不能滿足火箭發(fā)展所需的減重要求。

 

　　隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，尤其是碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料(CFRP)的發(fā)展，以及在航空航天工程中的逐步應(yīng)用，無內(nèi)襯復(fù)合材料貯箱已成為輕型航天器的主要發(fā)展方向。

 

　　用于制造復(fù)合材料貯箱的各種先進(jìn)成型工藝可以減少零件的組裝，從而縮短制造周期，提高生產(chǎn)效率，最終降低生產(chǎn)成本。

 

　　與金屬貯箱相比復(fù)合材料低溫貯箱可減輕20%-40%的重量，具有明顯的減重優(yōu)勢可大幅降低發(fā)射成本，提高發(fā)射效率。因此，研究復(fù)合材料貯箱關(guān)鍵性技術(shù)，促進(jìn)復(fù)合材料貯箱工程化應(yīng)用具有顯著戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)意義。

 

　　環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的比剛度、比強(qiáng)度以及熱性能，是復(fù)合材料低溫貯箱中使用最廣泛的基體材料。

 

　　但是在超低溫環(huán)境下，由于EP熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CF，變化相同溫度時(shí)熱膨脹量不同，高溫條件成型的復(fù)合材料基體的收縮就會(huì)受到纖維的抑制，產(chǎn)生比較大的殘余應(yīng)力層合板之間以及碳纖維和樹脂基體之間容易產(chǎn)生熱應(yīng)力集中而形成微裂紋，微裂紋擴(kuò)展造成貯箱的滲漏。

 

　　國外自上世紀(jì)50年代進(jìn)行大量研究，成功解決了液氫液氧相容性、低溫力學(xué)性能、微裂紋、材料成型工藝等一系列問題，并且已經(jīng)投入使用。

 

　　2020年4月，美國ICT公司通過向環(huán)氧樹脂中添加石墨烯等添加劑，解決了貯箱低溫高壓環(huán)境下產(chǎn)生微裂紋的問題。

 

　　其制造的直徑63.5 mm的Cryo Spheres球形低溫貯箱已經(jīng)通過了低溫循環(huán)測試，如下圖所示，下一步ICT公司將與NASA合作，將相關(guān)材料送入國際空間站進(jìn)行輻射測試，并且計(jì)劃將貯箱直徑擴(kuò)大到1219.2 mm。

 

　　航空航天檢測傳感器

 

　　由于太空環(huán)境由極端溫度、真空、太空碎片和太陽黑子活動(dòng)引起的大變化構(gòu)成，那么先進(jìn)的納米復(fù)合材料被用于航空航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)和太空環(huán)境惡劣氣候的涂層以及微電子系統(tǒng)的開發(fā)就變得非常的有意義。

 

　　石墨烯霍爾效應(yīng)傳感器具有低熱漂移，適用于航空航天應(yīng)用的電力電子模塊中的電流實(shí)時(shí)監(jiān)測，可在高達(dá)500K的溫度下工作。隨著溫度的升高，臨界電子性質(zhì)的變化，特別是載流子濃度和載流子遷移率的變化，這些參數(shù)是受實(shí)現(xiàn)傳感器的石墨烯層狄拉克點(diǎn)Dirac點(diǎn)所獨(dú)特影響的。利用門控優(yōu)化石墨烯霍爾傳感器可以實(shí)現(xiàn)低溫度系數(shù)下的高靈敏度霍爾效應(yīng)測量。此外，在其他星球上的生境開發(fā)受到多種標(biāo)準(zhǔn)的制約，其中之一就是空間碎片的撞擊破壞。研究了碳納米管/石墨烯納米片環(huán)氧基納米復(fù)合材料傳感器的抗小行星軌道微粒碎片沖擊性能。該傳感器能夠檢測小行星軌道微粒碎片沖擊造成的損傷，分辨率高于電容式傳感器。