石墨烯具有優(yōu)異的電學和熱力學等性能，不僅是理想的導熱材料，同時也是室溫下導電性最佳的材料，因此石墨烯被認為是樹脂基復合材料提升導電、導熱性能的理想填料。

 

　　環(huán)氧樹脂的典型特點是黏結(jié)性強，這是由于環(huán)氧分子結(jié)構(gòu)中具有較大活性的含氧基團，非常活潑，易與其他基團發(fā)生反應(yīng)，且有較強的黏結(jié)性，能夠提高材料的剪切強度。其次，環(huán)氧樹脂的穩(wěn)定性和耐腐蝕性較強，且環(huán)氧樹脂未固化時可溶于大部分的有機溶劑中，因此可在室溫狀態(tài)下長期密閉貯存。更重要的是，在固化后環(huán)氧樹脂體系中的分子間距會更加緊密，能夠形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可與其他材料以任意比例混合，這就造就了環(huán)氧樹脂良好的加工性能。但是，環(huán)氧樹脂并不耐高溫和耐紫外光，且固化物的沖擊性能較差。在最近的文獻報告中，加入納米材料等添加相對其改性，其中，石墨烯在環(huán)氧樹脂增強、增韌改性方面具有良好的應(yīng)用前景。因此，石墨烯/環(huán)氧樹脂復合材料引起了廣泛的研究和關(guān)注。

 

　　1、石墨烯添加量對石墨烯/環(huán)氧復合材料性能的影響

 

　　石墨烯的添加量對復合材料的性能有著重要的影響，也是近些年石墨烯/環(huán)氧樹脂復合材料研究的重要方向，圖1匯總了一些典型的研究成果。Fu Yuan-xiang團隊研究發(fā)現(xiàn)石墨烯最大添加量為10.1%時，復合材料的熱導率為4.01 W·m-1·K-1，較純環(huán)氧樹脂相比提升了22倍，能夠有效地應(yīng)用在熱管理方面。研究發(fā)現(xiàn)對于固定的石墨烯-環(huán)氧體系，在環(huán)氧樹脂中添加不同量石墨烯納米條帶（GNP）并不總會顯著改善拉伸性能，而拉伸塑性和斷裂韌性會隨GNP濃度發(fā)生變化，因為GNP/環(huán)氧樹脂復合材料存在軟相的“白化區(qū)”，在較高濃度下GNP會發(fā)生團聚，導致其斷裂機理改變。Kernin等通過高度剪切的三輥研磨手段，構(gòu)建出石墨烯環(huán)氧樹脂網(wǎng)絡(luò)，研究了石墨烯納米填料隨時間的動態(tài)變化過程，同時實現(xiàn)了在較低的石墨烯添加量下（0.5%），復合材料也能夠獲得良好的電導率和導熱性能，與低濃度相反，Varenik等改變石墨烯添加量，實現(xiàn)石墨烯在較高的添加量下（16%），復合材料的黏度能夠調(diào)整至所需的導熱系數(shù)值。Prolongo等則通過對GNP添加量的實驗研究，發(fā)現(xiàn)復合材料的機械強度隨GNP添加量的增大而增加，在8%的添加量下，熱擴散率最大增加了210%。除了關(guān)注石墨烯的添加量之外，Shen等探究了石墨烯層數(shù)對環(huán)氧樹脂復合材料熱導率的影響，創(chuàng)新性地采用分子動力學方法，模擬計算嵌入石墨烯平面和界面方向的熱導率，發(fā)現(xiàn)當添加超過10層的石墨烯納米條帶、含量為2.8%（體積分數(shù)）時，其復合材料的熱導率為1.5  W·m-1·K-1。Long等制備出功能化石墨烯氧化物（FGO），并用光譜表征其化學結(jié)構(gòu)，將0.2%的FGO填充到環(huán)氧樹脂中，得到復合材料的拉伸強度可達2.76 GPa。

 

　

 

　　圖 1 不同石墨烯添加量下石墨烯/環(huán)氧樹脂的電導率、熱導率

 

　　2、石墨烯添加形態(tài)對石墨烯/環(huán)氧復合材料性能的影響

 

　　石墨烯添加相的不同形態(tài)對其復合材料的性能有重要影響，石墨烯的薄膜形態(tài)和其排列是研究的熱點，圖2匯總了相關(guān)較為典型的研究成果。BusteroI等通過自支撐膜的方法部分解決了液體技術(shù)中常見的高黏度問題，通過在環(huán)氧樹脂和碳納米管巴克紙（CNT-BP）中嵌入2種不同的獨立式石墨烯薄膜，發(fā)現(xiàn)當引入30%的石墨烯時，環(huán)氧樹脂聚合物的導熱系數(shù)從0.20W·m-1·K-1提高到20W·m-1·K-1。同為石墨烯薄膜形態(tài)，Zhang等研究發(fā)現(xiàn)，定向排列可形成散熱通道，在石墨烯添加量為44%時，復合材料的導熱系數(shù)高達384.9 W·m-1·K-1，相比純環(huán)氧樹脂提高了約3570%。與之相似，Hao H等在不同熱流傳導方向之間形成石墨烯熱通道，證實了尺寸相關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)能夠從各向異性進一步轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨蛲裕谝?.5%的石墨烯添加量下，復合材料的熱導率為10W·m-1·K-1，達到純環(huán)氧樹脂的55倍，以上證明了石墨烯添加相形成的散熱通道對其提高導熱性的重要作用。

 

　　

 

　　圖 2 不同石墨烯添加形態(tài)下石墨烯/環(huán)氧樹脂的電導率、熱導率

 

　　石墨烯/環(huán)氧樹脂復合材料的航空應(yīng)用

 

　　復合材料以其強度高、重量輕等優(yōu)良性能，應(yīng)用范圍不斷拓展，在實際應(yīng)用上逐步代替金屬材料，尤其是在航空領(lǐng)域中展現(xiàn)了極大的應(yīng)用潛力。研究人員發(fā)現(xiàn)，在飛機機翼上包覆石墨烯/環(huán)氧樹脂復合材料的涂層可有效去除機翼上的冰翼，實驗表明在零下20℃的環(huán)境條件下，涂層仍可融化機翼旋葉上數(shù)厘米厚的冰層。該方法在除冰系統(tǒng)中屬于主動式防冰法，不僅能夠避免化學防冰方法產(chǎn)生的環(huán)境污染問題，也具有更為廣泛的適用范圍和潛力。

 

　　在防冰系統(tǒng)的應(yīng)用方面，Raji等通過制備超薄的石墨烯納米帶薄膜，該石墨烯薄膜可以實現(xiàn)射頻傳輸，即使在溫度非常低的條件下，也能夠保持極高的光學透明度，通過對薄膜電阻進行調(diào)整，如圖1所示實驗證明，通過化學和超聲處理的石墨烯納米帶薄膜能夠在寒冷的條件下加熱除冰，展示了航空覆冰應(yīng)用的巨大潛力。

 

　　

 

　　圖 3 石墨烯復合薄膜及除冰實驗

 

　　

 

　　圖 4 石墨烯/環(huán)氧樹脂復合薄膜的焦耳加熱及航空防覆冰應(yīng)用