科學家將石墨烯和環氧樹脂完美結合到導電材料中-AB膠網

來源：AB膠網更新時間：2018-11-22 12:00

石墨烯簡介

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。

石墨烯具有優異的光學、電學、力學、物理學特性，在材料學、微納加工、能源、航天、航空、武器、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。

石墨烯常見的粉體生產的方法為機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，薄膜生產方法為化學氣相沉積法（CVD）。2018年3月31日，中國首條全自動量產石墨烯有機太陽能光電子器件生產線在山東菏澤啟動，該項目主要生產可在弱光下發電的石墨烯有機太陽能電池（下稱石墨烯OPV），破解了應用局限、對角度敏感、不易造型這三大太陽能發電難題。

環氧樹脂簡介

環氧樹脂是指分子中含有兩個以上環氧基團的一類聚合物的總稱。它是環氧氯丙烷與雙酚A或多元醇的縮聚產物。由于環氧基的化學活性，可用多種含有活潑氫的化合物使其開環，固化交聯生成網狀結構，因此它是一種熱固性樹脂。雙酚A 型環氧樹脂不僅產量最大，品種最全，而且新的改性品種仍在不斷增加，質量正在不斷提高。

環氧樹脂的分類目前尚未統一，一般按照強度、耐熱等級以及特性分類，環氧樹脂的主要品種有16種，包括通用膠、結構膠、耐高溫膠、耐低溫膠、水中及潮濕面用膠、導電膠、光學膠、點焊膠、環氧樹脂膠膜、發泡膠、應變膠、軟質材料粘接膠、密封膠、特種膠、潛伏性固化膠、土木建筑膠16種。

導電材料

導電材料是指專門用于輸送和傳導電流的材料，一般分為良導體材料和高電阻材料兩類。導電材料包含導電塑料和導電橡膠。導電橡膠是將玻璃鍍銀、鋁鍍銀、銀等導電顆粒均勻分布在硅橡膠中，通過壓力使導電顆粒接觸，達到良好的導電效果。

有大量在電場作用下能夠自由移動的帶電粒子，因而能很好地傳導電流的材料。包括導體材料和超導材料。在電工領域，導電材料通常指電阻率為(1.5～10)×10-8歐米的金屬。

其主要功能是傳輸電能和電信號，此外，廣泛用于電磁屏蔽,制造電極、電熱材料、儀器外殼等(當有電磁屏蔽和安全接地要求時)。隨著科學技術的發展，其用途尚在不斷增加。

石墨烯、環氧樹脂如何結合到導電材料中？

萊斯大學的科學家們為電子應用建立了更好的環氧樹脂環氧樹脂與化學家James Tour的Rice實驗室發明的“超級”石墨烯泡沫相比，純度高于純環氧樹脂，比其他環氧樹脂復合材料更具導電性，同時保持了材料的低密度。它可以改善目前使用的環氧樹脂，通過添加導電填料來削弱材料的結構。這種新材料在美國化學學會期刊ACS Nano中有詳細介紹。環氧樹脂本身就是一種絕緣體，通常用于涂料，粘合劑，電子，工業工具和結構復合材料。通常添加金屬或碳填料用于需要導電性的應用，如電磁屏蔽。

但需要權衡：更多的填料以重量和抗壓強度為代價帶來更好的導電性，復合材料變得更難加工。Rice溶液用由納米級石墨烯片制成的三維泡沫代替金屬或碳粉，石墨烯是原子厚度的碳。旅游實驗室與賴斯材料科學家Pulickel Ajayan，Rouzbeh Shahsavari，北京北京航空大學的Jun Lou和Yan Zhao合作，從環氧樹脂注入三維支架的項目中汲取靈感，包括石墨烯氣凝膠，泡沫和各種工藝的骨架。

新方案由聚丙烯腈(PAN)制成更強的支架，聚丙烯腈是一種粉末狀聚合物樹脂，用作碳源，與鎳粉混合。在四步過程中，他們冷壓材料使其致密，在爐子中加熱使PAN變成石墨烯，化學處理所得材料以去除鎳并使用真空將環氧樹脂拉到現在多孔材料?！笆┡菽且粔K單層石墨烯，”Tour說?！耙虼?，實際上，整個泡沫是一個大分子。當環氧樹脂滲透泡沫然后硬化時，由于嵌入的石墨烯支架，環氧樹脂在一個地方的任何彎曲都會在許多其他位置對整體材料造成壓力。整個結構?！?/p>

據研究人員稱，具有32%泡沫的冰球形復合材料略微密集，但每厘米的導電率約為14西門子(電導率或反歐姆的衡量標準)。泡沫沒有給化合物增加顯著的重量，但是它的純度為環氧樹脂的抗壓強度的7倍。石墨烯和環氧樹脂之間的簡單互鎖也有助于穩定石墨烯的結構?！爱敪h氧樹脂滲透石墨烯泡沫然后硬化時，環氧樹脂被捕獲在石墨烯泡沫的微米尺寸區域中，”Tour說。

實驗室通過將多壁碳納米管混合到石墨烯泡沫中來提高賭注。納米管充當與石墨烯結合的增強條，使復合材料比純環氧樹脂硬1732%，導電性能提高近三倍，約為41西門子/厘米，遠遠高于迄今報道的幾乎所有基于支架的環氧樹脂復合材料據研究人員稱。Tour預計該流程將針對行業進行擴展?！叭藗冎恍枰粋€足夠大的爐子來生產最終的部件，”他說?！暗@一直是通過冷壓然后加熱來制造大型金屬零件?！彼f，這種材料最初可以替代用于預浸漬和增強從航空結構到網球拍材料中使用的織物的碳復合樹脂。