石墨烯因其廣泛的奇妙特性而經(jīng)常被稱為“奇跡材料”。這些特性使石墨烯超越了其他添加劑材料，從此成為許多應(yīng)用和工業(yè)領(lǐng)域感興趣的材料，其中之一就是復(fù)合材料。

然而，當(dāng)我們談?wù)撌r(shí)，我們實(shí)際上并不是在談?wù)搯我徊牧稀８鶕?jù)尺寸、層數(shù)和缺陷，石墨烯有多種形式。近年來(lái)，石墨烯材料的集體家族被稱為“石墨烯”。

這很重要，因?yàn)槊糠N類型的石墨烯具有不同的特性，使其適合不同的應(yīng)用。如果您嘗試在應(yīng)用中使用“錯(cuò)誤”類型的石墨烯，那么您可能不會(huì)達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。因此，選擇合適的石墨烯材料是成功的關(guān)鍵，其他類型石墨烯材料的失敗也不應(yīng)該讓您望而卻步。您只需要找到合適的。

人們對(duì)石墨烯用于不同復(fù)合材料的興趣很大，從可穿戴技術(shù)到電池電極、醫(yī)療植入物、航空航天和汽車(chē)輕量化復(fù)合材料、混凝土、聚合物復(fù)合材料等等。在本文中，我們重點(diǎn)介紹一種被稱為大而薄且?guī)缀鯚o(wú)缺陷 (LTDF) 石墨烯薄片的石墨烯材料，以及為什么與其他石墨烯材料相比，它是聚合物復(fù)合材料的有利選擇。

什么是復(fù)合材料？

復(fù)合材料由兩種或多種材料制成，組合后形成最終材料或產(chǎn)品。通過(guò)選擇和組合材料，您可以創(chuàng)建專為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。石墨烯越來(lái)越被認(rèn)為是一種改變游戲規(guī)則的添加劑，可以使復(fù)合材料更強(qiáng)、更輕、更靈活，同時(shí)還提供改進(jìn)的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性（取決于需要）。

什么是 LTDF 石墨烯？為什么它是復(fù)合材料的最佳選擇？

顧名思義，LTDF 石墨烯薄片的缺陷非常少（在原子水平上總會(huì)有一些缺陷），并且薄片的橫向尺寸比石墨烯粉末和納米片中的平均石墨烯顆粒大得多。LTDF 薄片也非常薄，平均厚度低于 1 納米。

平均石墨烯粉末的橫向直徑通常為 15-200 nm。復(fù)合材料中使用的其他形式的石墨烯（即氧化石墨烯）可以具有高達(dá)個(gè)位數(shù)微米的納米尺寸薄片。相比之下，Avadain 生產(chǎn)的 LTDF 石墨烯薄片的平均側(cè)徑為 55 微米。

那么，為什么這一切很重要呢？對(duì)于復(fù)合材料，你會(huì)得到你所放入的東西。如果你放入高度缺陷、小尺寸或多層的石墨烯材料（特別是一些“石墨烯”材料在技術(shù)上是石墨），那么最終產(chǎn)品將令人失望。然而，如果您加入具有更好機(jī)械性能的更高質(zhì)量的添加劑材料，那么您將獲得更耐用、堅(jiān)固且結(jié)構(gòu)合理的復(fù)合材料。

在復(fù)合材料方面，LTDF 石墨烯在許多方面都明顯優(yōu)于較小的片狀石墨烯。造成這種情況的原因有幾個(gè)，包括較大的薄片尺寸具有更高的表面積與體積比，通過(guò)為主體在分子水平上相互作用提供更大的平臺(tái)來(lái)改善復(fù)合材料的機(jī)械性能。

LTDF 石墨烯的較大薄片尺寸還減少了需要添加到復(fù)合材料中以實(shí)現(xiàn)變革效果的石墨烯量。根據(jù)材料的不同，LTDF 石墨烯的添加量可以從 1% 的 1/10到3%。這種低劑量與平面粘合相結(jié)合，降低了小片狀或粉末石墨烯分散體造成的團(tuán)聚風(fēng)險(xiǎn)。

石墨烯因其令人驚嘆的機(jī)械性能（例如優(yōu)異的柔韌性和高拉伸強(qiáng)度）而引起了人們的極大興趣并引起了巨大的炒作。然而，橫向薄片尺寸大于 30 微米的石墨烯材料具有最佳的拉伸強(qiáng)度性能。超過(guò)這個(gè)直徑，您還會(huì)開(kāi)始看到填料與基體的接觸面積大大改善，填料-基體界面處的應(yīng)力傳遞效率良好，并且復(fù)合材料中的裂紋橋接性能更好。

當(dāng)談到利用石墨烯作為添加劑的最佳特性時(shí)，理想的層數(shù)范圍是 1 到 5 層，因此對(duì)于高價(jià)值或要求苛刻的應(yīng)用，您不希望石墨烯材料超出此范圍。

使用LTDF石墨烯的總體好處是，較大的薄片和主體之間的相互作用使得可以使用更少的材料，同時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的機(jī)械和材料性能。LTDF 石墨烯的層數(shù)較少，能夠利用石墨烯的非凡特性。

用于聚合物復(fù)合材料的 LTDF 石墨烯薄片

聚合物復(fù)合材料市場(chǎng)巨大且不斷增長(zhǎng)。根據(jù) Vantage Market Research 的數(shù)據(jù)，2022 年全球復(fù)合材料市場(chǎng)價(jià)值為 934.6 億美元，預(yù)計(jì)到 2030 年將增至 1,512.4 億美元。分析公司 Markets and Markets 估計(jì)，2022 年全球復(fù)合材料市場(chǎng)價(jià)值為 1,137 億美元，2030 年將增至 1,686 億美元。

聚合物復(fù)合材料依靠添加劑材料來(lái)賦予其所需的物理性能。石墨烯越來(lái)越多地被集成到聚合物復(fù)合材料中，以使其更加耐用且結(jié)構(gòu)健全。許多聚合物復(fù)合材料，包括環(huán)氧樹(shù)脂、PVA、PC、PVDF 和 PS，與石墨烯集成時(shí)都表現(xiàn)出更好的性能。與“純”聚合物材料相比，聚合物-石墨烯復(fù)合材料顯示出明顯優(yōu)越的機(jī)械（彎曲韌性和拉伸強(qiáng)度）、熱學(xué)、氣體阻隔、電氣和阻燃性能，并且在結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電復(fù)合材料應(yīng)用中引起了廣泛關(guān)注。

石墨烯聚合物復(fù)合材料的質(zhì)量受到石墨烯固有特性的影響，包括其缺陷水平、尺寸以及與聚合物主體的界面反應(yīng)。強(qiáng)復(fù)合材料的關(guān)鍵是填料和主體之間的相互作用。較大的薄片尺寸為石墨烯填料提供了較大的表面積，以便在分子水平上與聚合物相互作用，并在每個(gè)石墨烯薄片和聚合物主體之間提供緊密結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)。

然而，團(tuán)聚是許多石墨烯聚合物復(fù)合材料中的一個(gè)問(wèn)題。團(tuán)聚是由范德華力引起的，導(dǎo)致石墨烯顆粒被吸引到其他石墨烯顆粒上。團(tuán)聚會(huì)導(dǎo)致石墨烯結(jié)塊并阻礙均勻分散。聚合物復(fù)合材料中填充材料的團(tuán)聚通常會(huì)導(dǎo)致與主體的界面相互作用減少。復(fù)合材料中較低程度的界面相互作用最終會(huì)降低石墨烯改善復(fù)合材料性能的有效性。這通常會(huì)導(dǎo)致機(jī)械性能低于預(yù)期，而團(tuán)聚是當(dāng)今納米復(fù)合材料領(lǐng)域面臨的最大挑戰(zhàn)之一。從機(jī)械性能的角度來(lái)看，團(tuán)聚也會(huì)導(dǎo)致團(tuán)聚石墨烯團(tuán)塊之間出現(xiàn)薄弱點(diǎn)。

鑒于集聚帶來(lái)的挑戰(zhàn)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種方法來(lái)消除這種集聚。然而，這些方法（例如對(duì)復(fù)合材料施加機(jī)械應(yīng)力）可能會(huì)破壞石墨烯-聚合物復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致機(jī)械性能較差。除其他問(wèn)題外，這些方法還往往會(huì)破壞石墨烯，導(dǎo)致尺寸變小，從而缺乏石墨烯的出色強(qiáng)度。

通過(guò)使用較大的薄片尺寸，您可以避免這種結(jié)塊問(wèn)題（因?yàn)樗鼈儾粫?huì)像較小的薄片那樣自然地結(jié)塊），并且?guī)缀醪恍枰虿恍枰赡苡绊懖牧险w強(qiáng)度和柔韌性的后處理處理。這就是為什么 LTDF 石墨烯可用于克服制造石墨烯聚合物復(fù)合材料時(shí)的一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

還有一些聚合物復(fù)合材料具有少量的電導(dǎo)率（與其他材料相比較小）。在這些電子聚焦復(fù)合材料中添加 LTDF 石墨烯意味著您可以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的電子性能，同時(shí)仍將聚合物的機(jī)械性能用于預(yù)期應(yīng)用，例如，在可穿戴技術(shù)、柔性傳感器或 EMI 中使用導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料屏蔽應(yīng)用。

結(jié)論

與較小的石墨烯材料相比，LTDF 石墨烯薄片所提供的有益特性非常重要且眾多。目前許多使用較小石墨烯薄片或石墨烯粉末的方法都是出于經(jīng)濟(jì)原因，但這并不一定能產(chǎn)生最佳結(jié)果。事實(shí)上，它可能會(huì)引入薄弱區(qū)和變形。要使復(fù)合材料（無(wú)論是結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、導(dǎo)熱復(fù)合材料還是導(dǎo)電復(fù)合材料）獲得最佳性能結(jié)果，需要使用更原始且大于 30 微米的石墨烯薄片。

審核編輯：劉清