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?；顫?，易與其他基團發(fā)生反應，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。

 

　　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。

 

　　石墨烯/環(huán)氧樹脂復合材料的航空應用

 

　　復合材料以其強度高、重量輕等優(yōu)良性能，應用范圍不斷拓展，在實際應用上逐步代替金屬材料，尤其是在航空領(lǐng)域中展現(xiàn)了極大的應用潛力。

 

　　飛機機翼除冰

 

　　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，展示了航空覆冰應用的巨大潛力。
 

　　

復合材料貯箱

 

　　以往航天器低溫貯箱均由金屬制成，然而，金屬材料不能滿足火箭發(fā)展所需的減重要求。

 

　　隨著復合材料技術(shù)的發(fā)展，尤其是碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料(CFRP)的發(fā)展，以及在航空航天工程中的逐步應用，無內(nèi)襯復合材料貯箱已成為輕型航天器的主要發(fā)展方向。

 

　　用于制造復合材料貯箱的各種先進成型工藝可以減少零件的組裝，從而縮短制造周期，提高生產(chǎn)效率，最終降低生產(chǎn)成本。

 

　　與金屬貯箱相比復合材料低溫貯箱可減輕20%-40%的重量，具有明顯的減重優(yōu)勢可大幅降低發(fā)射成本，提高發(fā)射效率。因此，研究復合材料貯箱關(guān)鍵性技術(shù)，促進復合材料貯箱工程化應用具有顯著戰(zhàn)略和經(jīng)濟意義。

 

　　環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的比剛度、比強度以及熱性能，是復合材料低溫貯箱中使用最廣泛的基體材料。

 

　　但是在超低溫環(huán)境下，由于EP熱膨脹系數(shù)遠遠高于CF，變化相同溫度時熱膨脹量不同，高溫條件成型的復合材料基體的收縮就會受到纖維的抑制，產(chǎn)生比較大的殘余應力層合板之間以及碳纖維和樹脂基體之間容易產(chǎn)生熱應力集中而形成微裂紋，微裂紋擴展造成貯箱的滲漏。

 

　　國外自上世紀50年代進行大量研究，成功解決了液氫液氧相容性、低溫力學性能、微裂紋、材料成型工藝等一系列問題，并且已經(jīng)投入使用。

 

　　2020年4月，美國ICT公司通過向環(huán)氧樹脂中添加石墨烯等添加劑，解決了貯箱低溫高壓環(huán)境下產(chǎn)生微裂紋的問題。

 

　　其制造的直徑63.5 mm的Cryo Spheres球形低溫貯箱已經(jīng)通過了低溫循環(huán)測試，如下圖所示，下一步ICT公司將與NASA合作，將相關(guān)材料送入國際空間站進行輻射測試，并且計劃將貯箱直徑擴大到1219.2 mm。

 

　　航空航天檢測傳感器

 

　　由于太空環(huán)境由極端溫度、真空、太空碎片和太陽黑子活動引起的大變化構(gòu)成，那么先進的納米復合材料被用于航空航天飛機結(jié)構(gòu)和太空環(huán)境惡劣氣候的涂層以及微電子系統(tǒng)的開發(fā)就變得非常的有意義。

 

　　石墨烯霍爾效應傳感器具有低熱漂移，適用于航空航天應用的電力電子模塊中的電流實時監(jiān)測，可在高達500K的溫度下工作。隨著溫度的升高，臨界電子性質(zhì)的變化，特別是載流子濃度和載流子遷移率的變化，這些參數(shù)是受實現(xiàn)傳感器的石墨烯層狄拉克點Dirac點所獨特影響的。利用門控優(yōu)化石墨烯霍爾傳感器可以實現(xiàn)低溫度系數(shù)下的高靈敏度霍爾效應測量。此外，在其他星球上的生境開發(fā)受到多種標準的制約，其中之一就是空間碎片的撞擊破壞。研究了碳納米管/石墨烯納米片環(huán)氧基納米復合材料傳感器的抗小行星軌道微粒碎片沖擊性能。該傳感器能夠檢測小行星軌道微粒碎片沖擊造成的損傷，分辨率高于電容式傳感器。