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当碳纤维增强复合材料遇上氧化石墨烯,会擦出怎样的火花?

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核心提示:碳纤维增强复合材料已在汽车、海洋和航空航天工业等多个行业得到应用。这些材料具有优异的抗拉强度,但受到脆性和界面粘合性差等缺陷的影响,材料可能分层并严重退化。
碳纤维增强复合材料已在汽车、海洋和航空航天工业等多个行业得到应用。这些材料具有优异的抗拉强度,但受到脆性和界面粘合性差等缺陷的影响,材料可能分层并严重退化。

据外媒报道,印度石油与能源研究大学(University of Petroleum and Energy Studies)和意大利萨莱诺大学(University of Salerno)的研究人员在《聚合物》(Polymers)杂志上发表了一篇论文,探讨氧化石墨烯对功能化碳纤维增强复合材料(CFRP)的影响。

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(图片来源:UPES)

碳纤维增强复合材料

CFRP已在汽车、海洋和航空航天工业等多个行业得到应用。这些材料具有优异的抗拉强度,但受到脆性和界面粘合性差等缺陷的影响,材料可能分层并严重退化。

为了解决这些问题,有一种策略是结合不同形式的碳纳米结构。目前,已有若干研究探讨过利用这类材料来提高这些复合材料的力学性能,并引入诸如自愈合、自传感和除冰等功能特性,以及在制造过程中节约能源。

不同形式的碳纳米结构

在复合材料中加入不同形式的碳纳米结构,可以实现不同的功能特性,并提升机械性能。例如,加入多壁碳纳米管,可以提高复合材料的导电性,而制造工艺则会影响导电性的具体数值。加入石墨烯基纳米颗粒,可以进一步改善一些取决于热管理的功能特性,并降低环氧树脂基复合材料的湿度。

制备单层石墨烯一直是人们研究的重点,但到目前为止,还未开发出具有优异导电性和相关功能特性的高性能材料。在制造过程中,石墨烯层往往会重组,阻碍形成无缺陷材料。为了避免材料重组,需要采用功能化步骤,而这会使工艺更加复杂,并带来诸如电子性能降低等挑战。

由堆叠的石墨烯层组成的氧化石墨烯纳米片,可以解决这些问题。将氧化石墨烯纳米颗粒分散在聚合物基体中,还可以在浸渍过程中提高碳纤维与环氧基体之间的粘附力。石墨烯纳米颗粒中存在的极性官能团,提供了与环氧基体的强相互作用。纳米颗粒的核心结构,可以促进与碳纤维的强相互作用。

在几篇论文报告过石墨烯纳米颗粒为树脂提供官能团的能力,而另一些论文则提到了促进聚合物和增强碳纤维之间的粘附力。改善聚合物与碳纤维之间的粘合,对提高复合材料的整体性能,起着重要作用。

本项研究

在本项研究中,研究人员综合评估近年来利用氧化石墨烯纳米颗粒来改善CFRP性能的研究进展,并对现有文献中的91篇相关论文进行了分析和评述。

加入氧化石墨烯纳米片,可以改善这些材料的粘弹性、热学、机械和电学性能。这项研究涉及官能团对这些复合材料共价功能化的作用。氧化石墨烯的关键作用是,打开了纤维表面和聚合物基体中的反应位点。研究人员指出,不同的官能团对复合材料具有不同的影响。羟基为纤维提供了含空隙和球状树突表面的拓扑结构,而羧基具有氧化相同表面的效果。这两个基团都为纤维提供了开放空间,以加强与聚合物基体的互锁。

有几种功能化方法可以改善界面粘附性。使用硅烷偶联剂很受关注,因为它们在材料的边缘和表面产生羟基、羧基和胺基。

可以使用不同的制备工艺,改善氧化石墨烯在聚合物基体中的分散状态。其中三辊铣削可以让分散更均匀(其他技术包括超声破碎法和剪切混合)。这是因为该方法易于操作,而且与其他方法不同,不需要额外使用溶剂。然而,研究人员指出,想要获得均匀的氧化石墨烯纳米颗粒分散体,仍然存在一定挑战。与纤维表面改性的相容性优于氧化石墨烯/基体改性。

此外,研究人员还对氧化石墨烯改性复合材料的应用现状和前景进行了综述。这些材料可用于航空航天工业、汽车工业、军事和土木工程部门,包括发动机部件、下一代防弹衣等弹道系统以及悬索桥的电缆等应用。复合材料已被用于储能设备和传感能力的研究。


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