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石墨烯在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用研究

2019-12-27 09:30葉琳鄧思楊
新材料產(chǎn)業(yè) 2019年11期
關(guān)鍵詞:基體碳納米管光學(xué)

葉琳 鄧思楊

石墨烯因其優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)等特性,因而在材料、能源、生物醫(yī)學(xué)等方面具有重要的應(yīng)用前景,被認(rèn)為是一種革命性的材料。研究者們?cè)诓煌I(lǐng)域嘗試著用不同方法制備高質(zhì)量、大面積石墨烯材料,一是通過(guò)對(duì)石墨烯制備工藝的優(yōu)化及改進(jìn),可以由小原子和分子自底向上組裝,也可以由石墨堆疊自頂向下剝離;二是降低石墨烯制備成本,這樣才會(huì)有廣泛應(yīng)用,且走向產(chǎn)業(yè)化的更多可能,與碳納米管不同,石墨烯可以在沒(méi)有高溫度和金屬催化劑的情況下以噸為單位進(jìn)行生產(chǎn),從而為不同的大規(guī)模應(yīng)用生產(chǎn)便宜的產(chǎn)品。在石墨烯復(fù)合材料領(lǐng)域進(jìn)行的應(yīng)用研究可以從以下幾個(gè)方面深入探討。

1 聚合物基復(fù)合材料

為了宏觀地利用石墨烯的一些獨(dú)特性質(zhì),可以將石墨烯作為納米填料分散在聚合物或無(wú)機(jī)基質(zhì)中。到目前為止,大多數(shù)研究多集中在聚合物基體上,楊氏模量、抗拉強(qiáng)度、電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)都有很大程度的提高,尤其是在低體積分?jǐn)?shù)(<1%)的情況下,而無(wú)機(jī)基體的關(guān)注度相對(duì)較少,從目前的研究成果來(lái)看,在陶瓷基體中添加石墨烯會(huì)使斷裂韌性增大,導(dǎo)電性和電磁干擾屏蔽。然而,這一領(lǐng)域仍處于起步階段,存在一些挑戰(zhàn)和尚待解決的問(wèn)題。例如,大體積壓裂時(shí)復(fù)合材料性能的改善,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的整合,機(jī)械結(jié)垢行為以及納米復(fù)合材料中的傳輸特性,以及納米尺度的石墨烯-基體相互作用如何與整體復(fù)合材料特性相關(guān)聯(lián)。

石墨烯與傳統(tǒng)填料和其他材料相比的優(yōu)勢(shì)在于其機(jī)械性能和傳輸性能,以及化學(xué)和熱抗阻、高表面積和低熱膨脹系數(shù)。雖然一些碳納米管也具有這些特性,但石墨烯在二維形狀、單原子厚度和邊緣原子上的應(yīng)用中占有優(yōu)勢(shì),如表1所示。大表面積意味著在復(fù)合物中石墨烯—基體界面也大,可以成為一個(gè)強(qiáng)大的工程參數(shù)來(lái)調(diào)整性能,規(guī)模、比表面積和導(dǎo)熱系數(shù)作為成核點(diǎn)和散熱器來(lái)改變界面的基體性質(zhì),從而穩(wěn)定新相,影響孔隙結(jié)構(gòu)和整體矩陣的屬性。為了更好地理解石墨烯—基體界面的應(yīng)力、電荷和熱傳導(dǎo),以表1的目標(biāo)應(yīng)用為發(fā)展方向,值得通過(guò)建模和實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究這些效應(yīng)。

仿生復(fù)合材料的發(fā)展作為一個(gè)新興領(lǐng)域,用宏觀纖維(如碳纖維)和石墨烯來(lái)增強(qiáng)功能,將納米纖維在低體積片段下分散在基體中(在基體中分散可以更有效地增加界面的韌性),效果在碳納米管和相關(guān)復(fù)合材料中已經(jīng)得到證明,并通過(guò)理論和模擬研究了材料混合與分層之間的相互作用和協(xié)同作用。實(shí)現(xiàn)了石墨烯褶皺的片層化多功能表面,其結(jié)果是一個(gè)可調(diào)、高度拉伸、導(dǎo)電、超疏水(即難以濕潤(rùn),水滴的接觸角超過(guò)150°)的電極,是下一代柔性電子產(chǎn)品的理想材料。

這種仿生路線的快速應(yīng)用是在一系列工業(yè)應(yīng)用(航空航天、汽車(chē)等)中等到體現(xiàn),因此需要通過(guò)建模和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合起來(lái)進(jìn)一步研究,考慮到材料的整個(gè)生命周期,期間會(huì)需要解決很多問(wèn)題,如石墨烯對(duì)復(fù)合材料加工(如燒結(jié)、擠壓)的影響、新穎性和再循環(huán)/再利用等問(wèn)題。

首先是在低載荷(<1%)水平下,相對(duì)于塑料提高2~4倍的復(fù)合模量和強(qiáng)度,在不降低其他性能的情況下使填料進(jìn)一步加強(qiáng),也不會(huì)顯著增加質(zhì)量,其次是可以生產(chǎn)更高體積分率、更高性能的復(fù)合材料,其機(jī)械性能超過(guò)結(jié)構(gòu)材料(如鋼)密度的一小部分。另外,在塑料中添加石墨烯可能會(huì)降低氣體的滲透性,這對(duì)飲料行業(yè)來(lái)說(shuō)非常重要,例如,啤酒制造商想從玻璃瓶轉(zhuǎn)向到聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate,PET),但是PET中的啤酒保質(zhì)期約為2周(玻璃瓶中約為30周),為了延長(zhǎng)保質(zhì)期,氧氣和二氧化碳(CO2)的滲透性都需要降低約5倍。類(lèi)金剛石已經(jīng)成功地用于這種應(yīng)用,在寬高比>1 000、血小板體積百分比<5的情況下,給定塑料的滲透率可降低10倍以上,因此,石墨烯可以減少每瓶塑料的質(zhì)量,即減少壁厚。

環(huán)氧樹(shù)脂是一種熱固性聚合物(即與溫度交聯(lián)固化),廣泛應(yīng)用于涂料、膠粘劑、電氣絕緣體、復(fù)合材料等各種行業(yè),環(huán)氧樹(shù)脂具有優(yōu)良的機(jī)械和化學(xué)性質(zhì),包括良好的介電性能、高度的尺寸穩(wěn)定性(在承受不同程度的溫度、濕度、壓力或其他壓力的情況下,材料在一段時(shí)間內(nèi)保持其形狀的能力)、硬度、彈性和優(yōu)異的耐化學(xué)性(材料避免不同離子或分子滲透的能力)。然而,環(huán)氧樹(shù)脂容易燃燒,因此進(jìn)一步開(kāi)展阻燃環(huán)氧樹(shù)脂的研究具有現(xiàn)實(shí)意義,使用碳材料是降低熱釋放率、減緩聚合物基體熱降解、抑制熱和可燃?xì)怏w釋放的最有效方法之一,石墨烯片材由于其高表面積、長(zhǎng)寬比、抗拉強(qiáng)度、電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)勢(shì),因此作為新型納米填料極具潛力。

2 陶瓷基復(fù)合材料

陶瓷材料從工程角度來(lái)看具有許多有價(jià)值的特性,如耐火性(即在溫度>600℃時(shí)保持材料的強(qiáng)度)、強(qiáng)度和硬度,但低韌性是陶瓷材料一個(gè)重要缺點(diǎn)。增加韌性的常用方法是加入第二相材料,這種材料可以通過(guò)產(chǎn)生外部增韌作用來(lái)充當(dāng)增強(qiáng)劑,含纖維復(fù)合材料或碳納米管-陶瓷復(fù)合材料由于機(jī)械性能的提高受到廣泛關(guān)注。碳納米管的另一個(gè)好處是使陶瓷復(fù)合材料具有導(dǎo)電性,從而能夠通過(guò)更有效的方法進(jìn)行機(jī)械加工,如放電或腐蝕作用(陶瓷材料的高硬度和低韌性將其加工成復(fù)雜形狀的成本很高)。

上述優(yōu)勢(shì)可以轉(zhuǎn)移到石墨烯/陶瓷復(fù)合材料上,初步研究表明,這種材料具有明顯的增韌性能和較高的導(dǎo)電性。與碳納米管相比,石墨烯陶瓷復(fù)合材料還具有其他優(yōu)勢(shì),如石墨烯的成本和商業(yè)利用率較低、工藝條件不太嚴(yán)格,當(dāng)考慮到獲得陶瓷材料所需的高溫度(通常為>1 400℃)時(shí),后者的優(yōu)勢(shì)尤其重要,石墨烯/陶瓷復(fù)合材料可以使用常規(guī)加熱方法,而不是像碳納米管/陶瓷復(fù)合材料那樣必須使用電場(chǎng)輔助燒結(jié)技術(shù)。

石墨烯/陶瓷復(fù)合材料可用于摩擦磨損等相關(guān)領(lǐng)域,如用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件、軸承和切削工具,初步數(shù)據(jù)顯示,這些復(fù)合材料在滑動(dòng)接觸下的反應(yīng)有所改善,剝離的石墨烯片似乎起到了固體潤(rùn)滑劑的作用,因此利用導(dǎo)電優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)陶瓷復(fù)合材料的精密微加工,以及用于高溫度用途的微機(jī)電系統(tǒng)將變得更加容易。

3 基于化學(xué)改性石墨烯的二維有機(jī)和無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料

通過(guò)充分利用合成化學(xué),可能創(chuàng)造出一種新型的二維形狀材料,將石墨烯片作為模板,用固定在石墨烯襯底上的有機(jī)或無(wú)機(jī)粒子來(lái)制造更復(fù)雜和功能更強(qiáng)的二維材料,無(wú)機(jī)納米粒子在導(dǎo)電石墨烯表面不僅避免了納米粒子的聚集,而且提高了導(dǎo)電率。為了整合其獨(dú)特的性質(zhì),科學(xué)家已經(jīng)對(duì)石墨烯和無(wú)機(jī)納米材料的二維納米復(fù)合材料開(kāi)展了研究,一種方法是直接將石墨烯與預(yù)先制備的無(wú)機(jī)納米粒子進(jìn)行組裝,另一種方法為無(wú)機(jī)納米粒子在石墨烯表面的原位生長(zhǎng)提供了可能性。各種石墨烯,包括氧化石墨烯、還原氧化石墨烯、改性氧化石墨烯/還原氧化石墨烯和去角質(zhì)石墨烯都被用于此類(lèi)目的。一些研究使用石墨烯作為模板來(lái)生長(zhǎng)納米粒子、片狀或帶狀氧化鐵、夾心狀二氧化鈦(TiO2)納米片、金紅石和銳鈦礦TiO2納米晶體、Mn3O4納米粒子和Ni(OH)2納米血小板。

4 光子聚合物復(fù)合材料

光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的需求為新技術(shù)打開(kāi)了大門(mén),滿足性能標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)濟(jì)要求的光子元件和新技術(shù)提供了高產(chǎn)量、低成本的制造,同時(shí)提供了高性能和獨(dú)特的功能。光通信系統(tǒng)需要光源和探測(cè)器,但是許多附加的組件卻構(gòu)成了現(xiàn)代的傳輸網(wǎng)絡(luò),直到20世紀(jì)80年代末,包括分束器、多路復(fù)用器和開(kāi)關(guān)在內(nèi)的元件都是由透鏡和棱鏡等散裝光學(xué)元件組成,然而,散裝光學(xué)元件操作不方便,對(duì)失調(diào)高度敏感,容易發(fā)生不穩(wěn)定狀態(tài),所有這些問(wèn)題都可以在集成光學(xué)系統(tǒng)中避免。將微型光學(xué)元件和波導(dǎo)結(jié)合在一個(gè)高度集成的基于芯片的器件中,當(dāng)在復(fù)雜系統(tǒng)中部署時(shí),其緊湊的平面布局比散裝光學(xué)器件相比具有明顯優(yōu)勢(shì),集成可以做到在平面基板上減少?gòu)?fù)雜的多功能光子電路。

聚合材料是這種集成平臺(tái)的理想選擇,易通過(guò)諸如壓花、沖壓、鋸切、濕法或干法蝕刻等方法進(jìn)行操作,低成本、室溫下就可以進(jìn)行制造和生產(chǎn)。聚合物可以根據(jù)定義的光學(xué)特性進(jìn)行合成,例如,在不同光譜范圍內(nèi)選擇透明帶、可變折射率和低雙折射,而不是過(guò)多地考慮高激光損傷閾值和熱穩(wěn)定性,此外,聚合物必須在設(shè)備制造過(guò)程中易于加工和價(jià)格低廉。傳統(tǒng)上用于光學(xué)領(lǐng)域的聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯和環(huán)氧樹(shù)脂。

主要的技術(shù)挑戰(zhàn)是開(kāi)發(fā)一種嵌入石墨烯的光學(xué)和電子功能的新型聚合物光電器件,這些器件將結(jié)合聚合物光子學(xué)的制造優(yōu)勢(shì),以及材料可調(diào)的主動(dòng)和被動(dòng)式光學(xué)特性,不僅在光通信領(lǐng)域,而且在生物醫(yī)療儀器、化學(xué)分析、時(shí)間分辨光譜學(xué)、電光采樣、顯微鏡和外科手術(shù)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。含有石墨烯的新型光子聚合物可以被深入研究,例如,折射率匹配凝膠和光學(xué)粘合劑(通常是環(huán)氧或硅基聚合物),具有良好的彈性和熱性能,以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

基于石墨烯的復(fù)合材料應(yīng)用還需要一定時(shí)間的深入研究與探索。復(fù)合材料具有不同的成熟度,有的已經(jīng)處于商業(yè)水平和大規(guī)模生產(chǎn)的應(yīng)用,而石墨烯基泡沫和非石墨烯二維材料的復(fù)合材料,以及石墨烯在柔性電子和能量存儲(chǔ)方面的應(yīng)用,則仍處于基礎(chǔ)研究階段。

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