萊斯大學將石墨烯泡沫塑料、環氧樹脂結合成堅韌的導電復合材料

萊斯大學的科學傢已經為電子應用制造瞭一種更好的環氧樹脂。在化學傢James Tour的Rice實驗室發明的環氧樹脂與“超級”石墨烯泡沫材料相結合,比純環氧樹脂堅固很多,比其他環氧樹脂復合材料導電性能更好,同時保持瞭材料的低密度。通過添加導電填料,可以改善目前使用中會削弱材料結構的環氧樹脂。

萊斯大學將石墨烯泡沫塑料、環氧樹脂結合成堅韌的導電復合材料

環氧樹脂本身是絕緣體,通常用於塗料、粘合劑、電子、工業工具和結構復合材料中。通常添加金屬或碳填料用於需要導電性的應用,如電磁屏蔽應用。

但需要權衡的是:更多的填充物以重量和抗壓強度為代價帶來更好的導電性,而復合材料變得更難加工。

萊斯(Rice)實驗室的解決方案用一種由納米級石墨烯制成的三維泡沫取代金屬或碳粉,石墨烯是隻有一個碳原子厚度厚度的碳薄片。

Tour實驗室與萊斯大學的材料科學傢Pulickel Ajayan、Rouzbeh Shahsavari,北京航空航天大學的婁軍和肇研合作,從環氧樹脂註入三維支架的項目中汲取靈感,包括石墨烯氣凝膠,泡沫和各種工藝的支架。

新方案技術用聚丙烯腈(PAN)制成更強的支架,聚丙烯腈是一種粉末狀聚合物樹脂,用作碳源,與鎳粉混合。在四步過程中,他們冷壓材料使其致密,在爐子中加熱使PAN變成石墨烯,化學處理所得材料以去除鎳,並使用真空將環氧樹脂拉入現有多孔材料中。

“石墨烯泡沫是單層石墨烯,”Tour說。“因此,實際上,整個泡沫是一個大分子。當環氧樹脂滲透泡沫然後硬化時,由於嵌入的石墨烯支架,環氧樹脂在一個位置中的任何彎曲都會在其他位置處對整料施加應力。這最終會使整個結構變硬。”

據研究人員稱,這種泡沫含量為32%的球形復合材料密度略高,但電導率約為每厘米14西門子(電導率或反向歐姆的衡量標準)。泡沫不會增加化合物的重量,但使其抗壓強度是純環氧樹脂的7倍。

石墨烯和環氧樹脂之間的簡單互鎖也有助於穩定石墨烯的結構。Tour說:“當環氧樹脂滲透石墨烯泡沫然後硬化時,環氧樹脂被捕獲在石墨烯泡沫的微米大小的區域。”

實驗室通過將多壁碳納米管混合到石墨烯泡沫中來提高賭註。研究人員稱,納米管充當與石墨烯結合的增強材料,使復合材料的硬度比純環氧樹脂高出1732%,導電性能提高近三倍,約為41西門子(Siemens)/厘米,遠遠高於迄今報道的幾乎所有基於支架的環氧樹脂復合材料。

Tour預計該工藝流程將針對工業規模進行擴展。“人們隻需要一個足夠大的爐子來生產最終的部件,”他說。“但一直都是這樣的,通過冷壓,然後加熱來制造大型金屬零件。”

他說,這種材料最初可能會取代碳復合樹脂,這種碳復合樹脂用於預浸漬和加固從航空航天結構到網球拍等材料中的織物。

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