科学家将石墨烯泡沫环氧树脂结合成坚韧的导电复合材料

莱斯大学的科学家已经为电子应用建立了更好的环氧树脂。与化学家詹姆斯图尔(James Tour)的莱斯实验室发明的“超级”石墨烯泡沫相比，环氧树脂的纯度高于纯环氧树脂，而且比其他环氧树脂复合材料更具导电性，同时保持了材料的低密度。它可以改善目前使用的环氧树脂，并通过添加导电填料来削弱材料的结构。这种新材料在美国化学学会杂志《ACS Nano》中有详细描述。环氧树脂本身是一种绝缘体，通常用于涂料、粘合剂、电子、工业工具和结构复合材料。对于需要导电性的应用，如电磁屏蔽，通常添加金属或碳填料。

但这需要权衡：以重量和抗压强度为代价，更多的填料带来更好的导电性，复合材料变得更难加工。米溶液用纳米石墨烯片制成的三维泡沫代替金属或碳粉，石墨烯是原子厚度的碳。旅游实验室与北京航空大学莱斯材料科学家普利克尔阿贾扬、鲁兹贝沙赫萨瓦里、军楼和赵岩合作，从环氧树脂注入三维支架的项目中汲取灵感，包括石墨烯气凝胶、泡沫和各种技术骨架。

在新方案中，更坚固的支架由聚丙烯腈(PAN)制成，聚丙烯腈是一种粉末聚合物树脂，用作碳源，并与镍粉混合。在四步过程中，他们冷压材料使其致密，在炉中加热使聚丙烯腈变成石墨烯，对获得的材料进行化学处理以去除镍，并使用真空将环氧树脂拉至目前的多孔材料。“石墨烯泡沫是单层石墨烯，”图尔说。“所以，事实上，整个泡泡是一个大分子。当环氧树脂穿透泡沫然后硬化时，由于嵌入的石墨烯支架，环氧树脂在一个地方的任何弯曲都会在许多其他地方对整个材料施加压力。整个结构。”

根据研究人员的说法，泡沫含量为32%的冰球形复合材料稍密，但每厘米的电导率约为14西门子(电导率或反欧姆的量度)。泡沫不会显著增加化合物的重量，但其纯度是环氧树脂抗压强度的7倍。石墨烯和环氧树脂之间的简单互锁也有助于稳定石墨烯的结构。Tour说：“当环氧树脂渗透到石墨烯泡沫中，然后硬化时，环氧树脂会被截留在石墨烯泡沫的微米级区域中。

实验室通过将多壁碳纳米管混合到石墨烯泡沫中来提高风险。据研究人员介绍，纳米管与石墨烯结合后充当增强条，使复合材料比纯环氧树脂硬17.32%，电导率提高近3倍，约为41西门子/cm，远高于目前报道的几乎所有基于支架的环氧树脂复合材料。Tour预计，这一过程将扩展到整个行业。“人们只需要一个足够大的炉子来生产最后的零件，”他说。"但它一直是通过冷压然后加热来制造大型金属零件."他说，这种材料最初可以取代用于预浸渍和增强织物的碳复合树脂，从航空结构到网球拍材料。

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