科学家将石墨烯和环氧树脂完美结合到导电材料中

石墨烯简介

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。

 

石墨烯具有优异的光学、电学、力学、物理学特性，在材料学、微纳加工、能源、航天、航空、武器、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

 

石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产方法为化学气相沉积法（CVD）。2018年3月31日，中国首条全自动量产石墨烯有机太阳能光电子器件生产线在山东菏泽启动，该项目主要生产可在弱光下发电的石墨烯有机太阳能电池（下称石墨烯OPV），破解了应用局限、对角度敏感、不易造型这三大太阳能发电难题。

 

 

环氧树脂简介

环氧树脂是指分子中含有两个以上环氧基团的一类聚合物的总称。它是环氧氯丙烷与双酚A或多元醇的缩聚产物。由于环氧基的化学活性，可用多种含有活泼氢的化合物使其开环，固化交联生成网状结构，因此它是一种热固性树脂。双酚A 型环氧树脂不仅产量最大，品种最全，而且新的改性品种仍在不断增加，质量正在不断提高。

 

环氧树脂的分类目前尚未统一，一般按照强度、耐热等级以及特性分类，环氧树脂的主要品种有16种，包括通用胶、结构胶、耐高温胶、耐低温胶、水中及潮湿面用胶、导电胶、光学胶、点焊胶、环氧树脂胶膜、发泡胶、应变胶、软质材料粘接胶、密封胶、特种胶、潜伏性固化胶、土木建筑胶16种。

 

 

导电材料

导电材料是指专门用于输送和传导电流的材料，一般分为良导体材料和高电阻材料两类。导电材料包含导电塑料和导电橡胶。导电橡胶是将玻璃镀银、铝镀银、银等导电颗粒均匀分布在硅橡胶中，通过压力使导电颗粒接触，达到良好的导电效果。

 

有大量在电场作用下能够自由移动的带电粒子，因而能很好地传导电流的材料。包括导体材料和超导材料。在电工领域，导电材料通常指电阻率为(1.5～10)×10-8欧米的金属。

 

其主要功能是传输电能和电信号，此外，广泛用于电磁屏蔽,制造电极、电热材料、仪器外壳等(当有电磁屏蔽和安全接地要求时)。 随着科学技术的发展，其用途尚在不断增加。

 

 

石墨烯、环氧树脂如何结合到导电材料中？

莱斯大学的科学家们为电子应用建立了更好的环氧树脂环氧树脂与化学家James Tour的Rice实验室发明的“超级”石墨烯泡沫相比，纯度高于纯环氧树脂，比其他环氧树脂复合材料更具导电性，同时保持了材料的低密度。它可以改善目前使用的环氧树脂，通过添加导电填料来削弱材料的结构。这种新材料在美国化学学会期刊ACS Nano中有详细介绍。环氧树脂本身就是一种绝缘体，通常用于涂料，粘合剂，电子，工业工具和结构复合材料。通常添加金属或碳填料用于需要导电性的应用，如电磁屏蔽。

 

但需要权衡：更多的填料以重量和抗压强度为代价带来更好的导电性，复合材料变得更难加工。Rice溶液用由纳米级石墨烯片制成的三维泡沫代替金属或碳粉，石墨烯是原子厚度的碳。旅游实验室与赖斯材料科学家Pulickel Ajayan，Rouzbeh Shahsavari，北京北京航空大学的Jun Lou和Yan Zhao合作，从环氧树脂注入三维支架的项目中汲取灵感，包括石墨烯气凝胶，泡沫和各种工艺的骨架。

 

新方案由聚丙烯腈(PAN)制成更强的支架，聚丙烯腈是一种粉末状聚合物树脂，用作碳源，与镍粉混合。在四步过程中，他们冷压材料使其致密，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并使用真空将环氧树脂拉到现在多孔材料。“石墨烯泡沫是一块单层石墨烯，”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许多其他位置对整体材料造成压力。整个结构。”

 

据研究人员称，具有32%泡沫的冰球形复合材料略微密集，但每厘米的导电率约为14西门子(电导率或反欧姆的衡量标准)。泡沫没有给化合物增加显着的重量，但是它的纯度为环氧树脂的抗压强度的7倍。石墨烯和环氧树脂之间的简单互锁也有助于稳定石墨烯的结构。“当环氧树脂渗透石墨烯泡沫然后硬化时，环氧树脂被捕获在石墨烯泡沫的微米尺寸区域中，”Tour说。

 

实验室通过将多壁碳纳米管混合到石墨烯泡沫中来提高赌注。纳米管充当与石墨烯结合的增强条，使复合材料比纯环氧树脂硬1732%，导电性能提高近三倍，约为41西门子/厘米，远远高于迄今报道的几乎所有基于支架的环氧树脂复合材料据研究人员称。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。

 

 

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