石墨烯+环氧树脂=更坚韧、更导电的复合材料！

近日消息,莱斯大学的科学家们已经开发出一种用于电子应用的石墨烯基环氧树脂。石墨烯基环氧树脂比纯环氧树脂更坚韧,并且比其他环氧树脂复合材料具有更高的导电性,同时保持了材料的低密度。目前改善环氧树脂导电性通常需要添加导电填料,但这通常会导致材料密度增大。

环氧树脂本身就是绝缘材料,通常用于涂料、粘合剂、电子、工业工具和结构复合材料等领域。 通常通过添加金属或碳填料增强导电性以用于需要导电的应用,如电磁屏蔽。 然而,难以权衡的是,导电性越好需要添加越多的填料,同时也必须以牺牲重量和抗压强度为代价,并且复合材料变得更难加工。 Rice大学使用由纳米级石墨烯片制成的3D泡沫代替金属或碳粉,可解决这个矛盾。

该项研究由莱斯大学James Tour教授、Pulickel Ajayan教授,Rouzbeh Shahsavar教授,北京北京航空大学的Jun Lou和Yan Zhao合作,他们将环氧树脂注入用石墨烯气凝胶通过特殊工艺制成的3D支架,最终制备出石墨烯基环氧树脂复合材料。

该团队报告说,新方案使用聚丙烯腈(PAN)制造了更强大的支架,聚丙烯腈是一种粉末状聚合物树脂,用作碳源,与镍粉混合。制备过程分为四步:冷压材料使其致密,在炉子中加热使PAN变成石墨烯,化学处理所得材料以去除镍,最后使用真空将环氧树脂拉到现在的多孔材料。

“石墨烯泡沫是一块单一的少层石墨烯,”Tour说。 “因此,实际上,整个泡沫是一个大分子。当环氧树脂渗透泡沫然后硬化时,由于嵌入的石墨烯支架,环氧树脂在一个地方的任何弯曲都会在其他位置对整体材料产生应力,最终会使整个结构变硬。

研究人员称,泡沫含量为32%的球形复合材料密度略高,但电导率约为每厘米14西门子(一种电导率或反比欧姆)。泡沫没有增加胶料的重量,但它的抗压强度是纯环氧树脂的7倍。

石墨烯和环氧树脂之间的简单联锁也有助于稳定石墨烯的结构。“当环氧树脂渗透到石墨烯泡沫,然后变硬,环氧树脂被捕获在微米大小的石墨烯泡沫中,”Tour说。

Tour预计该流程将针对行业进行扩展。 “人们只需要一个足够大的炉子来生产最终的部件,”他说。 “但这一直是通过冷压然后加热来制造大型金属零件。” 他说,这种材料最初可以替代用于预浸渍和增强从航空结构到网球拍材料中使用的织物的碳复合树脂。

Xiao Han et al. Ultra-Stiff Graphene Foams as Three-Dimensional Conductive Fillers for Epoxy Resin, ACS Nano (2018).

DOI: 10.1021/acsnano.8b05822