王 函，孫新陽,2，張建崗,2，魯 妮,2，曾 尤,2

(1.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽材料科學(xué)國家研究中心，沈陽 110016;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110016)

0 引言

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)因其輕質(zhì)高強(qiáng)、抗疲勞性好、制備工藝簡單等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、裝備制造等諸多領(lǐng)域[1-5]，CFRP正逐步替代金屬成為先進(jìn)裝備的主要承載構(gòu)件[6]。相比于傳統(tǒng)金屬材料，CFRP在構(gòu)件輕量化方面具有顯著優(yōu)勢，但其本征熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率較低，很大程度制約了其在熱控管理、電磁屏蔽等領(lǐng)域的應(yīng)用[7-9]。近年來，發(fā)展結(jié)構(gòu)/功能一體化先進(jìn)復(fù)合材料，在保證CFRP輕質(zhì)高強(qiáng)力學(xué)性能的同時，賦予其優(yōu)異的電熱功能特性，已引起了科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。以碳納米管、石墨烯為代表的納米碳材料，因其獨(dú)特的納米尺度、優(yōu)異的力學(xué)性能、卓越的電熱傳輸特性，使得其在力學(xué)增強(qiáng)、電熱傳輸、電磁屏蔽等領(lǐng)域具有極為廣闊的應(yīng)用前景(圖1)[10-14]。相比于碳納米管，石墨烯具有獨(dú)特的二維片層結(jié)構(gòu)(其平面尺寸可達(dá)數(shù)十微米)，可有效避免相互纏結(jié)團(tuán)聚，更易于實現(xiàn)在樹脂基體中的高效分散[15]；此外，石墨烯的二維片層結(jié)構(gòu)也有助于其通過自組裝的方法構(gòu)筑形成片層搭接的電熱傳輸網(wǎng)絡(luò)[16]。近年來，隨著石墨烯低成本宏量制備技術(shù)的突破、商業(yè)化石墨烯質(zhì)量體系的不斷完善，極大推動了石墨烯在復(fù)合材料領(lǐng)域的規(guī)?；I(yè)應(yīng)用進(jìn)程。充分發(fā)揮石墨烯的優(yōu)異特性以顯著提升CFRP的力學(xué)性能及電熱傳輸性能已引起人們的密切關(guān)注，且在諸多領(lǐng)域已經(jīng)取得突破性的研究成果。

本文側(cè)重介紹近年來石墨烯/碳纖維混雜復(fù)合材料在導(dǎo)熱、電磁屏蔽以及雷電防護(hù)等領(lǐng)域的主要研究進(jìn)展，同時探討該領(lǐng)域存在的關(guān)鍵問題以及未來發(fā)展趨勢。

1 結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料的設(shè)計

CFRP通常具有典型的層狀結(jié)構(gòu)特征，其力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能存在明顯的各向異性，顯著依賴于碳纖維取向及碳纖維與樹脂基體間的界面結(jié)合[17]。

圖2為CFRP的界面結(jié)構(gòu)照片。從圖2(a)、(b)可以看到，碳纖維具有光滑的惰性表面[18]，難以與樹脂基體形成緊密的界面結(jié)合，會影響復(fù)合材料的應(yīng)力傳遞以及電熱高效傳輸。特別是在復(fù)合材料內(nèi)部，纖維單絲之間和纖維層間被樹脂充分包覆(圖2(c))[19]，勢必嚴(yán)重制約聲子與電子的長程傳輸從而使得CFRP具有較低的熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率。因此，優(yōu)化CFRP組元間的界面結(jié)構(gòu)并構(gòu)筑高效的電熱傳輸網(wǎng)絡(luò)是獲得結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料的關(guān)鍵。

圖1 石墨烯的性能及應(yīng)用領(lǐng)域[14]

圖2 CFRP 的界面結(jié)構(gòu)((a)碳纖維表面形貌[18]；(b)碳纖維與樹脂間的界面[18]；(c)纖維絲束間與纖維層間的樹脂包覆[19])

針對碳纖維的表面處理、改善碳纖維與樹脂基體相容性、增強(qiáng)復(fù)合材料界面結(jié)合，已開展了大量研究工作，但大多工作側(cè)重于改善CFRP的應(yīng)力傳遞，而對其電熱性能的提升尚不顯著。近年來，隨著對石墨烯制備技術(shù)與物性研究的不斷深入，將石墨烯與碳纖維進(jìn)行混雜，發(fā)揮石墨烯的優(yōu)異性能以顯著提升CFRP的電熱功能特性，為制備具有結(jié)構(gòu)功能一體化的先進(jìn)復(fù)合材料提供了新的設(shè)計思路。對于傳統(tǒng)CFRP而言，其可提供的功能設(shè)計空間十分狹小，僅可在碳纖維表面、碳纖維層間以及復(fù)合材料表面引入石墨烯功能層以改善CFRP的電熱功能特性(圖3)。圖3(a-b)為碳纖維表面的石墨烯修飾，其可通過化學(xué)氣相沉積、電泳沉積、噴涂、浸漬等方法獲得[18,20-21]，并根據(jù)制備條件的不同在碳纖維表面修飾不同形態(tài)結(jié)構(gòu)的石墨烯，有助于構(gòu)筑碳纖維間的電熱傳輸通路以獲得復(fù)合材料電熱性能的提升。圖3(c-d)為碳纖維復(fù)合材料的層間改性，可通過噴涂、浸漬、鋪層等方法在碳纖維鋪層間引入石墨烯功能層。例如，LEE等將石墨烯納米片與銅粉共混于乙醇溶液噴涂在碳纖維預(yù)浸料表面并經(jīng)熱壓成型工藝制備復(fù)合材料，從圖3(d)中可以看到，石墨烯與銅粉混雜粒子集中分布于復(fù)合材料層間，使得層間熱傳導(dǎo)性能得以顯著提升，CFRP的面外熱導(dǎo)率由0.91 W/(m·K)提升至5.65 W/(m·K)[22]。此外，在復(fù)合材料構(gòu)件表面也可以通過粘貼高性能石墨烯功能膜等方法進(jìn)一步提升復(fù)合材料整體的電熱性能[23]。WANG等[24]通過樹脂膜滲透工藝制備復(fù)合材料，使石墨烯富集于復(fù)合材料表面，高度定向排列的石墨烯功能層可以顯著提升復(fù)合材料的表面電導(dǎo)率，CFRP的表面電阻率由104.2 Ω/sq下降至0.55 Ω/sq(如圖3(e-f)所示) ?？梢?，針對具體的使用功能需求，可以將石墨烯以不同方式引入到復(fù)合材料內(nèi)部以構(gòu)筑電熱傳輸網(wǎng)絡(luò)從而顯著提升復(fù)合材料的綜合性能。

圖3 CFRP的石墨烯修飾結(jié)構(gòu)((a-b)碳纖維表面的石墨烯修飾；(c-d)復(fù)合材料層間的石墨烯功能層[22]；(e-f)復(fù)合材料表面的石墨烯功能層[24])

2 石墨烯混雜CFRP的功能特性

2.1 導(dǎo)熱性能

隨著電子工業(yè)與航空航天工業(yè)的快速發(fā)展，電子設(shè)備的高度集成化、傳輸高速化以及高功率化已成為必然的發(fā)展趨勢，材料熱管理是保障功能器件可靠運(yùn)行的重要手段，因此對CFRP的高導(dǎo)熱性能提出了迫切的需求[25-26]。石墨烯作為新型輕質(zhì)導(dǎo)熱/散熱材料(其面內(nèi)熱導(dǎo)率高達(dá)5000 W/(m·K))得到人們廣泛的關(guān)注[27-28]。近年來，國內(nèi)外針對高導(dǎo)熱石墨烯/CFRP的設(shè)計與制備開展了系列的研究工作。大多工作通常將石墨烯粉體分散在樹脂基體中再通過固化成型的方法獲得石墨烯/碳纖維混雜復(fù)合材料，CFRP的面外熱導(dǎo)率由0.39 W/(m·K)提升至0.44 W/(m·K)(纖維體積分?jǐn)?shù)為45%，石墨烯體積分?jǐn)?shù)為1%)[29]。由于該技術(shù)是將石墨烯與樹脂基體預(yù)混，不可避免存在石墨烯粉體被樹脂包覆而難以在復(fù)合材料內(nèi)部形成高效的連續(xù)導(dǎo)熱通路，使得熱導(dǎo)率提升不顯著，同時石墨烯的加入會使得樹脂體系粘度急劇增加。導(dǎo)致成型困難等諸多問題。對于石墨烯導(dǎo)熱復(fù)合材料而言，如何發(fā)揮石墨烯極高的熱導(dǎo)率優(yōu)勢、降低接觸熱阻、調(diào)控其與基體相容性、構(gòu)筑高效的熱輸運(yùn)網(wǎng)絡(luò)是獲得高性能導(dǎo)熱復(fù)合材料的關(guān)鍵[30-32]。從復(fù)合材料導(dǎo)熱機(jī)理上來講，熱量在材料內(nèi)部傳遞不僅取決于材料本征的熱傳導(dǎo)系數(shù)，而且與導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。近年來，將石墨烯粉體通過自組裝方法(如水熱合成、冰模板冷凍干燥、化學(xué)組裝等)制備出具有連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石墨烯連續(xù)宏觀體(如纖維、薄膜、泡沫等)[33-36]，為設(shè)計制備高導(dǎo)熱復(fù)合材料提供了新的設(shè)計思路。BAI等[37]將石墨烯薄膜與聚合物薄片通過疊層、蜷曲構(gòu)筑具有高度取向性的層狀石墨烯復(fù)合材料，其熱導(dǎo)率可高達(dá)600 W/(m·K)。QI等[38]通過抽濾方法將石墨烯進(jìn)行逐層堆砌獲得了石墨烯高度定向排列的石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其面內(nèi)熱導(dǎo)率高達(dá)33.5 W/(m·K)。可見，通過調(diào)控石墨烯結(jié)構(gòu)形態(tài)、堆積方式及取向結(jié)構(gòu)，可以獲得具有高導(dǎo)熱性能的石墨烯/聚合物復(fù)合材料。

值得指出的是，石墨烯在構(gòu)筑連續(xù)熱輸運(yùn)網(wǎng)絡(luò)提升熱導(dǎo)率的同時，通常會引起力學(xué)性能的降低。如何兼顧高熱導(dǎo)率與力學(xué)強(qiáng)度一直以來是結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料的重要發(fā)展方向。對于CFRP而言，碳纖維具有連續(xù)結(jié)構(gòu)以及各向異性特征，在發(fā)揮其力學(xué)承載性能的同時，在碳纖維之間以及層間構(gòu)筑熱輸運(yùn)網(wǎng)絡(luò)是獲得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)功能一體化的關(guān)鍵。CHENG等[39]將石墨烯與酚醛樹脂共混噴涂在碳纖維表面，制得的復(fù)合材料面外方向熱導(dǎo)率達(dá)到0.91 W/(m·K)(如圖4(a-c)所示)，石墨烯的引入在提高CFRP層間熱導(dǎo)率的同時，也因改善碳纖維表面粗糙度，使得復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度從27 MPa提升至37 MPa 。WANG等[40]采用電泳沉積及化學(xué)氣相沉積的方法在碳纖維表面修飾石墨烯和碳化硅納米線(SiCnws)(圖4(d-e))，制得的CFRP的面外熱導(dǎo)率從0.739 W/(m·K)提升至1.419 W/(m·K)，層間剪切強(qiáng)度從32 MPa提升至55 MPa，這主要?dú)w因于碳纖維的表面修飾有助于構(gòu)筑纖維間的連通網(wǎng)絡(luò)，改善碳纖維與樹脂基體之間的界面熱阻與應(yīng)力傳遞，使得復(fù)合材料面外熱導(dǎo)率與層間剪切強(qiáng)度得以同步提升。筆者將化學(xué)氣相沉積的石墨烯泡沫與碳纖維織物進(jìn)行疊層鋪設(shè)，采用真空輔助樹脂傳遞成型技術(shù)制備石墨烯/碳纖維混雜復(fù)合材料，其面外熱導(dǎo)率可高達(dá)到1.55 W/(m·K)，同時層間剪切強(qiáng)度保持基本不變?？梢?，在碳纖維之間構(gòu)筑連續(xù)的石墨烯導(dǎo)熱通路，可有助于熱量的快速傳輸、同時改善CFRP層間剪切強(qiáng)度，從而獲得兼顧力學(xué)與導(dǎo)熱性能的結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料。

2.2 電磁屏蔽性能

隨著空間衛(wèi)星通訊和軍事電子傳感技術(shù)的快速發(fā)展，因高頻電磁輻射引發(fā)的電磁污染、電磁干擾、信息安全泄漏等一系列問題，不僅影響通信等電子設(shè)備正常工作，對人體健康也產(chǎn)生重大安全隱患。CFRP在結(jié)構(gòu)/電磁屏蔽一體化研究已得到廣泛關(guān)注，盡管碳纖維具有一定的導(dǎo)電性，但其復(fù)合材料電磁屏蔽效能仍僅為20 dB，無法滿足日益增長的應(yīng)用需求，高屏蔽效能、寬頻帶、輕量化已成為未來先進(jìn)電磁屏蔽復(fù)合材料的發(fā)展趨勢[41]。石墨烯因其獨(dú)特的片層結(jié)構(gòu)、高比表面積以及優(yōu)異的電學(xué)性能，已成為電磁波屏蔽與吸收領(lǐng)域極具潛能的構(gòu)筑材料[42]。對于傳統(tǒng)CFRP而言，其對電磁波的響應(yīng)特性通常可分為電磁波的反射、吸收與透過三種形式，顯著依賴于復(fù)合材料的電導(dǎo)率與界面結(jié)構(gòu)。石墨烯納米片的加入可以賦予CFRP更高的導(dǎo)電性能，使得電磁反射效能得以顯著增強(qiáng)；同時可以在復(fù)合材料內(nèi)部引入更為豐富的微結(jié)構(gòu)與大量界面，顯著增強(qiáng)電磁波在材料內(nèi)部的多重反射與吸收(圖5(a))[43]。此外，石墨烯混雜復(fù)合材料的多組元特性也可以有助于形成界面極化損耗與介電損耗，進(jìn)一步增強(qiáng)電磁屏蔽與吸收效能[44-45]。LIANG等報道將高導(dǎo)電的石墨烯納米片(GNP)與還原氧化石墨烯(RGO)共混制備三維石墨烯泡沫網(wǎng)絡(luò)，制得的環(huán)氧復(fù)合材料的電磁屏蔽效能可達(dá)51 dB(圖5(b))，其主要?dú)w因于石墨烯堆疊構(gòu)筑的多層次孔結(jié)構(gòu)以及高的導(dǎo)電性，使得電磁波在復(fù)合材料內(nèi)部發(fā)生多重反射與電磁損耗[46]。為了進(jìn)一步提升復(fù)合材料的電磁屏蔽性能，可在復(fù)合材料內(nèi)部引入磁性粒子(如鐵氧體、鐵電體、金屬氧化物等)，利用其在交變電磁場作用下的磁滯損耗從而賦予復(fù)合材料更高的電磁屏蔽吸收性能[47-50]。SHARIF等[51]將磁性粒子Fe3O4引入到石墨烯/環(huán)氧復(fù)合材料中，使得電磁屏蔽性能由20.7 dB提升至29.3 dB。

圖4 石墨烯混雜復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)熱性能[39-40]((a)碳纖維復(fù)合材料；(b)石墨烯混雜碳纖維復(fù)合材料及(c)其熱導(dǎo)率；(d-e)碳纖維表面的功能修飾及(f)混雜復(fù)合材料的熱導(dǎo)率)

圖5 石墨烯混雜復(fù)合材料的電磁屏蔽性能((a)石墨烯電磁屏蔽原理[43]；(b)石墨烯三維網(wǎng)絡(luò)與復(fù)合材料的電磁屏蔽性能[46]；(c-d)石墨烯與磁性粒子混雜增強(qiáng)CFRP的電磁屏蔽性能[52])

對于CFRP而言，其通常具有較低的導(dǎo)電性與電磁屏蔽性能(厚度為1 mm時復(fù)合材料的電磁屏蔽性能僅約20 dB)，WU等在碳纖維表面沉積氧化石墨烯以及負(fù)載磁性粒子Fe3O4，制得的混雜碳纖維復(fù)合材料的電磁屏蔽性能可提升至34 dB[52](圖5(c-d))，主要?dú)w因于石墨烯的高導(dǎo)電性、磁性粒子的電磁損耗、復(fù)合材料界面極化、多重反射/吸收以及組元間的協(xié)同效應(yīng)。陳宇等將石墨烯薄膜鋪貼到碳纖維預(yù)成型體的表面，通過熱壓罐共固化成型的方法制備了石墨烯改性碳纖維樹脂基復(fù)合材料，復(fù)合材料的電磁屏蔽性能從27.7 dB提高到64.7 dB，且隨著石墨烯功能層厚度的增加，復(fù)合材料的電磁屏蔽性能也不斷提高，這主要?dú)w因于復(fù)合材料表面高導(dǎo)電的石墨烯功能層大幅度提高了復(fù)合材料對于電磁波的反射損耗以及吸收損耗[53]。

2.3 雷電防護(hù)性能

近年來，CFRP因其輕質(zhì)高強(qiáng)特性正逐漸大量用于飛行器殼體的制造[54-55]，但由于CFRP相比于金屬具有較低的電導(dǎo)率，使其在空天復(fù)雜環(huán)境中的抗雷電防護(hù)性能嚴(yán)重不足，高達(dá)40～100 kA的雷電僅在數(shù)微秒內(nèi)即可對CFRP造成災(zāi)難性的破壞(圖6(a))[56]，因此提高CFRP的雷電防護(hù)性能已成為其在飛行器中實際應(yīng)用的重要課題。雷電防護(hù)主要是指材料表面承受脈沖大電流、瞬時高溫及交變應(yīng)力的能力，通常要求材料具有高的表面電導(dǎo)率、高的熱導(dǎo)率以及良好的熱穩(wěn)定性(圖6(b))[57]。

圖6 石墨烯混雜復(fù)合材料的雷擊防護(hù)((a)雷擊損傷[56]；(b)雷擊損傷原理[57]；(c)石墨烯防護(hù)層的電導(dǎo)率[24]；(d-e)石墨烯混雜復(fù)合材料的雷擊防護(hù)效果[24])

目前工業(yè)中通常采用在CFRP表面火焰噴涂金屬層、鋪貼金屬網(wǎng)或金屬箔等方式以提升表面電導(dǎo)率[58-60]，但存在密度高、易腐蝕、熱變形大等缺點(diǎn)，且在長期服役過程中由于金屬與樹脂基體相容性差會導(dǎo)致防護(hù)層易于剝脫等問題，難以滿足新一代航天器的設(shè)計需求[61-63]。近年來，國內(nèi)外針對納米碳材料在雷電防護(hù)材料中的應(yīng)用開展了探索性研究，主要集中于將納米碳材料(碳納米管或石墨烯)作為導(dǎo)電添加劑加入到樹脂基體中得以提高復(fù)合材料的電導(dǎo)率，或預(yù)制高電導(dǎo)功能層并粘貼于CFRP表面從而起到防護(hù)作用[54,64-67]。研究報道將碳納米管薄膜(巴基紙)作為功能層黏貼在CFRP表面，碳納米管薄膜的電導(dǎo)率可達(dá)5.7×103S/m[65]，可有效提升復(fù)合材料的雷電防護(hù)性能，但相比于商用金屬網(wǎng)或金屬箔材料(商用金屬網(wǎng)的電導(dǎo)率為3.8×107～6.2×107S/m)仍具有一定的差距[56]。石墨烯相比于碳納米管更易于構(gòu)筑具有顯著各向異性的高導(dǎo)電薄膜，石墨烯膜的電導(dǎo)率可高達(dá)1.49×105S/m[23]。WANG等通過樹脂膜滲透工藝將還原氧化石墨烯富集在復(fù)合材料表面構(gòu)建雷電防護(hù)層，石墨烯功能層的電導(dǎo)率可高達(dá)4.4×104S/m(圖6 (c))，經(jīng)40 kA雷電測試后表明石墨烯功能層可以對CFRP起到較好的雷電防護(hù)效果(圖6 (d-e))[24]，這主要?dú)w因于石墨烯功能層的高導(dǎo)電性有助于脈沖電流的表面快速傳導(dǎo)，同時石墨烯的加入還有助于提高CFRP的強(qiáng)度從而表現(xiàn)為雷擊測試后具有較高的殘余強(qiáng)度。值得指出的是，盡管納米碳材料在改善CFRP雷電防護(hù)性能方面取得一些進(jìn)展，但距商業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用仍有一定差距，在進(jìn)一步提升導(dǎo)電性與熱穩(wěn)定性、低成本制造等方面仍面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

3 存在問題及未來展望

綜上所述，石墨烯在改善CFRP的導(dǎo)熱、電磁屏蔽、雷擊防護(hù)性能方面取得階段性進(jìn)展，有助于推動結(jié)構(gòu)功能一體化先進(jìn)復(fù)合材料的設(shè)計與技術(shù)發(fā)展。但目前該方面研究仍處于實驗室階段，對于其在航空航天領(lǐng)域的大規(guī)模實際應(yīng)用尚面臨諸多挑戰(zhàn)。

(1)解決石墨烯的性能與質(zhì)量穩(wěn)定控制：盡管石墨烯已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，但目前仍存在成本高、質(zhì)量穩(wěn)定性波動大、缺乏行業(yè)質(zhì)檢規(guī)范、生產(chǎn)規(guī)模不足等問題，特別是具有優(yōu)異熱電傳輸性能的石墨烯宏觀體(纖維、薄膜、泡沫等)存在技術(shù)成熟度低、尚無法實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)供應(yīng)，使得后續(xù)制備的石墨烯混雜復(fù)合材料的性能穩(wěn)定性受到很大影響。

(2)解決規(guī)?；瘧?yīng)用的納米級混雜工藝技術(shù)：由于石墨烯具有納米尺度特征，其與傳統(tǒng)填料相比具有比表面積高、易于團(tuán)聚等特點(diǎn)，若使用傳統(tǒng)的復(fù)合材料制備工藝會導(dǎo)致樹脂粘度大、不易分散、流動性差、力學(xué)及電熱性能提升不顯著等諸多問題。即使采用電泳沉積、化學(xué)氣相沉積等技術(shù)可在連續(xù)碳纖維表面沉積或生長石墨烯，但由于制備工藝復(fù)雜很大程度上限制了其工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用。開發(fā)適合于石墨烯的分散修飾技術(shù)并與現(xiàn)有CFRP生產(chǎn)工藝結(jié)合，是制備結(jié)構(gòu)功能一體化先進(jìn)復(fù)合材料的關(guān)鍵。

(3)平衡混雜復(fù)合材料的綜合性能：雖然石墨烯的加入可以賦予CFRP諸多功能特性，但是很多情況下是以犧牲某方面力學(xué)強(qiáng)度為代價，高效的電熱輸運(yùn)網(wǎng)絡(luò)與牢固的纖維-樹脂界面結(jié)合是相互矛盾的兩個方面，很大程度上依賴于石墨烯的最優(yōu)摻量以及力學(xué)增強(qiáng)與電熱性能的平衡。制備結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料的關(guān)鍵在于優(yōu)化組元配比、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與制備工藝，得以實現(xiàn)復(fù)合材料力學(xué)增強(qiáng)與功能特性的兼得與平衡。

從目前研究與應(yīng)用進(jìn)展來看，結(jié)構(gòu)功能一體化的先進(jìn)復(fù)合材料是未來發(fā)展的必然趨勢。石墨烯混雜復(fù)合材料在導(dǎo)熱方面的研究已取得較大進(jìn)展，并正逐漸在電子行業(yè)領(lǐng)域作為高端散熱墊、散熱外殼得以初步應(yīng)用。相比而言，石墨烯混雜復(fù)合材料在電磁屏蔽、雷擊防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用探索尚處于起步階段，很大程度上受制于石墨烯的質(zhì)量、成本以及規(guī)?；a(chǎn)的制約。但隨著石墨烯的低成本宏量制備以及質(zhì)量控制的規(guī)范化，其在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用必然得到廣泛的拓展，進(jìn)而發(fā)展出適用于石墨烯混雜復(fù)合材料的生產(chǎn)技術(shù)與設(shè)備，使得石墨烯的優(yōu)異特性與CFRP輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)勢相結(jié)合，制備出具有結(jié)構(gòu)功能一體化的先進(jìn)復(fù)合材料。

4 結(jié)束語

近年來隨著對石墨烯宏量制備技術(shù)的逐漸突破以及對其物性研究的深入，發(fā)揮石墨烯優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)以及電學(xué)特性制備結(jié)構(gòu)功能一體化先進(jìn)復(fù)合材料已引起人們的廣泛關(guān)注。本文介紹了石墨烯/碳纖維混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)功能一體化的研究進(jìn)展，側(cè)重闡述混雜復(fù)合材料在導(dǎo)熱、電磁屏蔽、雷電防護(hù)方面的研究成果，結(jié)合目前石墨烯混雜復(fù)合材料的應(yīng)用進(jìn)程，探討了該領(lǐng)域存在的主要問題與未來發(fā)展趨勢。綜上所述，石墨烯以其卓越的理化性能為先進(jìn)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)功能一體化提供了新的設(shè)計思路，通過材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備工藝優(yōu)化可獲得具有多功能特性、輕質(zhì)高強(qiáng)的石墨烯/碳纖維混雜復(fù)合材料，并在航空航天、武器裝備、電子工業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)戎T多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。