碳纖維增強復合材料

CFRP已在汽車、海洋和航空航天工業等多個行業得到應用。這些材料具有優異的抗拉強度，但受到脆性和界面粘合性差等缺陷的影響，材料可能分層并嚴重退化。

為了解決這些問題，有一種策略是結合不同形式的碳納米結構。目前，已有若干研究探討過利用這類材料來提高這些復合材料的力學性能，并引入諸如自愈合、自傳感和除冰等功能特性，以及在制造過程中節約能源。

不同形式的碳納米結構

在復合材料中加入不同形式的碳納米結構，可以實現不同的功能特性，并提升機械性能。例如，加入多壁碳納米管，可以提高復合材料的導電性，而制造工藝則會影響導電性的具體數值。加入石墨烯基納米顆粒，可以進一步改善一些取決于熱管理的功能特性，并降低環氧樹脂基復合材料的濕度。

制備單層石墨烯一直是人們研究的重點，但到目前為止，還未開發出具有優異導電性和相關功能特性的高性能材料。在制造過程中，石墨烯層往往會重組，阻礙形成無缺陷材料。為了避免材料重組，需要采用功能化步驟，而這會使工藝更加復雜，并帶來諸如電子性能降低等挑戰。

由堆疊的石墨烯層組成的氧化石墨烯納米片，可以解決這些問題。將氧化石墨烯納米顆粒分散在聚合物基體中，還可以在浸漬過程中提高碳纖維與環氧基體之間的粘附力。石墨烯納米顆粒中存在的極性官能團，提供了與環氧基體的強相互作用。納米顆粒的核心結構，可以促進與碳纖維的強相互作用。

在幾篇論文報告過石墨烯納米顆粒為樹脂提供官能團的能力，而另一些論文則提到了促進聚合物和增強碳纖維之間的粘附力。改善聚合物與碳纖維之間的粘合，對提高復合材料的整體性能，起著重要作用。

本項研究

在本項研究中，研究人員綜合評估近年來利用氧化石墨烯納米顆粒來改善CFRP性能的研究進展，并對現有文獻中的91篇相關論文進行了分析和評述。

加入氧化石墨烯納米片，可以改善這些材料的粘彈性、熱學、機械和電學性能。這項研究涉及官能團對這些復合材料共價功能化的作用。氧化石墨烯的關鍵作用是，打開了纖維表面和聚合物基體中的反應位點。研究人員指出，不同的官能團對復合材料具有不同的影響。羥基為纖維提供了含空隙和球狀樹突表面的拓撲結構，而羧基具有氧化相同表面的效果。這兩個基團都為纖維提供了開放空間，以加強與聚合物基體的互鎖。

有幾種功能化方法可以改善界面粘附性。使用硅烷偶聯劑很受關注，因為它們在材料的邊緣和表面產生羥基、羧基和胺基。

可以使用不同的制備工藝，改善氧化石墨烯在聚合物基體中的分散狀態。其中三輥銑削可以讓分散更均勻（其他技術包括超聲破碎法和剪切混合）。這是因為該方法易于操作，而且與其他方法不同，不需要額外使用溶劑。然而，研究人員指出，想要獲得均勻的氧化石墨烯納米顆粒分散體，仍然存在一定挑戰。與纖維表面改性的相容性優于氧化石墨烯/基體改性。

此外，研究人員還對氧化石墨烯改性復合材料的應用現狀和前景進行了綜述。這些材料可用于航空航天工業、汽車工業、軍事和土木工程部門，包括發動機部件、下一代防彈衣等彈道系統以及懸索橋的電纜等應用。復合材料已被用于儲能設備和傳感能力的研究。