石墨烯納米增強(qiáng)新型復(fù)合材料

納米增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)作為顛覆性提升材料性能的重要途徑，一直是近年來材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。一般傳統(tǒng)的做法是用碳納米管作為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，但是這種方法存在許多技術(shù)瓶頸和局限性，最顯著的問題就是碳納米管具有較強(qiáng)的流動(dòng)性，易產(chǎn)生“團(tuán)聚”現(xiàn)象，材料均勻性較差，難以制成大尺寸的材料，而且材料質(zhì)地比較脆，容易發(fā)生斷裂。

據(jù)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人吳迪介紹，石墨烯納米增強(qiáng)新型復(fù)合材料，就是在碳纖維復(fù)合材料中，增加了納米級的石墨烯，進(jìn)一步提高了碳纖維材料的韌性、強(qiáng)度、剛度等性能。與傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料相比，除了力學(xué)性能的提升，它還具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：

• 導(dǎo)電性能好：該材料的導(dǎo)電性能，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的復(fù)合材料，能夠有效避免傳統(tǒng)復(fù)合材料與金屬材料連接的接觸面上，容易積累電荷產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的情況，大幅提高產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)耐久性能。

• 電磁屏蔽功能：該新型復(fù)合材料具有很好的電磁屏蔽功能，可以用于制備儀器設(shè)備殼體，與傳統(tǒng)金屬材料殼體相比，既能保護(hù)內(nèi)部電子元器件不被電磁輻射干擾，又能達(dá)到減重的效果。

• 防潮防水功能：該材料具有極強(qiáng)的疏水性能，可以用于制備防潮結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)能力，為產(chǎn)品在潮濕環(huán)境下的長期貯存和提升耐久性提供支撐。

石墨烯納米增強(qiáng)新型復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)

這種石墨烯納米增強(qiáng)新型復(fù)合材料，是以氧化石墨烯為材料，制備出石墨烯海綿，這種石墨烯海綿具有三維生長性，彼此之間相互連接，能夠非常均勻地與碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行融合。

在這個(gè)材料的研制過程中，運(yùn)載火箭研究院研發(fā)中心主要負(fù)責(zé)前期的仿真設(shè)計(jì)，哈工大主要負(fù)責(zé)材料的制備。該材料的成功研制，顛覆性地提高了現(xiàn)有復(fù)合材料的性能水平，為納米增強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)研究開辟了新的途徑，為未來航空航天飛行器輕質(zhì)化設(shè)計(jì)奠定了材料基礎(chǔ)。

可以看出，這是一種典型的三元復(fù)合材料，其中石墨烯海綿相當(dāng)于骨骼，碳纖維相當(dāng)于肌肉纖維，而樹脂則相當(dāng)于結(jié)締組織。從顯微圖可以看出，這種材料的結(jié)構(gòu)是在三維尺度上縱橫交錯(cuò)高度融合的，因此它擁有比碳纖維復(fù)合材料更好的力學(xué)和理化性能是應(yīng)有之義。

這種材料目前的問題是產(chǎn)業(yè)化，因?yàn)槿绾我粤慨a(chǎn)的規(guī)模和效率實(shí)現(xiàn)石墨烯海綿的高質(zhì)量三維生長及其與碳纖維-樹脂復(fù)合材料的高度融合，對于任何一個(gè)國家來說都是極大的挑戰(zhàn)，因此這種材料的小批量應(yīng)用可能很快就會開始，但是真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還有一段較長的路要走。另外這種材料的生產(chǎn)工藝特殊，成本高昂，因此在可預(yù)見的將來并無民用化的可能性。而且說實(shí)話民用的場合不需要，也用不起。