新研究發(fā)現(xiàn)：石墨烯填充材料優(yōu)于碳納米管材料
美國(guó)倫塞勒高等技術(shù)綜合學(xué)院（Rensselaer Polytechnic Institute）的研究人員最近通過(guò)三個(gè)研究課題發(fā)現(xiàn)：石墨烯應(yīng)該排名在納米材料前面，成為風(fēng)機(jī)或飛機(jī)機(jī)翼所用復(fù)合填充材料第一選擇。
研究結(jié)果顯示，注入了石墨烯的復(fù)合材料跟注入了碳納米管或其他納米微粒復(fù)合材料相比較，硬度更高、強(qiáng)度更大、更不容易受損。這意味著，由納米級(jí)的碳原子組成的鏈狀柵欄形成一個(gè)原子厚度的石墨烯片材，將會(huì)成為下一代納米復(fù)合材料開(kāi)發(fā)中的一個(gè)關(guān)鍵性要素。
“我已經(jīng)在納米復(fù)合材料界工作了10年了，石墨烯是我見(jiàn)過(guò)的機(jī)械性能方面最好的。”倫塞勒學(xué)院機(jī)械、航天和核能工程系的教授Nikhil Koratkar介紹說(shuō)，他是這些研究的總負(fù)責(zé)人。“石墨烯在傳遞它的超凡強(qiáng)度和機(jī)械性能給基體材料方面比碳納米管材料或是其他任何已知的納米填充物材料都好太多了。”
Koratkar教授詳細(xì)地在最近出版的論文中公布了他的研究結(jié)果：“石墨烯納米復(fù)合材料的斷裂和疲勞性能表現(xiàn)非常不明顯，含有少量石墨烯納米填充物的復(fù)合材料表現(xiàn)出明顯強(qiáng)化的機(jī)械性能。”——出自他在《ACS Nano》上發(fā)表的論文；“石墨烯納米材料具有極好的剛度（抗折性能）——出自他在《 the journal Applied Physics Letters》上發(fā)表的文章。”
先進(jìn)的復(fù)合材料逐漸成為新式風(fēng)機(jī)葉片、飛機(jī)和其他要求超輕、高強(qiáng)度材料設(shè)計(jì)的主要成分。環(huán)氧復(fù)合材料是極輕的，但是易碎和易折。Koratkar教授的團(tuán)隊(duì)嘗試過(guò)在復(fù)合材料中摻入疊成片狀的石墨烯，每疊都是一個(gè)納米厚度，他們也在環(huán)氧復(fù)合材料中注入過(guò)納米管材料（作為對(duì)比試驗(yàn)）。環(huán)氧材料注入了石墨烯后表現(xiàn)出超好的性能。事實(shí)上，加入重量為復(fù)合材料約百分之零點(diǎn)一比例的石墨烯材料就比加入同等復(fù)合材料百分之一比例的的納米管材料更能提高材料的硬度和剛度。這樣，Koratkar教授說(shuō)，按照重要性的第一順序，應(yīng)該突出石墨烯在未來(lái)的重要地位。石墨烯材料還能夠加強(qiáng)基體材料抗疲勞、抗連續(xù)破裂的性能，相對(duì)于環(huán)氧基的復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，幾乎有雙重的重要性。
盡管石墨烯和碳納米管材料在他們的化學(xué)組成上和機(jī)械性能上幾乎是一樣的，石墨烯在傳遞它的固有特性給基體材料時(shí)比納米管材料好得多。“納米管材料具備令人驚訝的強(qiáng)度，但是他們的特性于復(fù)合材料的機(jī)械性能上幾乎沒(méi)有影響，如果它們不能夠?qū)⒈旧淼奈锢硇阅軅鬟f給基體材料。”Koratkar教授說(shuō)。“一個(gè)鏈條的強(qiáng)度等于它最薄弱環(huán)節(jié)的強(qiáng)度，如果那個(gè)薄弱的環(huán)節(jié)在納米管材料填充聚合體中，那就是說(shuō)決定了整個(gè)聚合體機(jī)械性能的還是兩者中較弱的一方（的物理性能）。無(wú)論納米管材料有多強(qiáng)、有多硬，如果它跟這個(gè)聚合體的接觸傳遞很差，那么這種結(jié)合就是失敗的。”
Koratkar教授介紹說(shuō)，石墨烯有三個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)好于碳納米材料。第一個(gè)就是石墨結(jié)構(gòu)表面的粗糙和褶皺（由表面高密度的瑕疵導(dǎo)致）。這些瑕疵表面是由于倫塞勒學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)用熱剝離工藝從石墨中提出大量的石墨烯造成的。這些有褶皺的石墨烯片材表面和基體材料中的環(huán)境緊緊扭結(jié)在一起，有助于提高兩種材料界面間基體材料對(duì)石墨烯填充物的壓力傳遞和負(fù)荷轉(zhuǎn)移。第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是石墨烯的表面區(qū)域。作為一個(gè)平的片狀材料，石墨烯跟基體材料環(huán)境之間比管狀的納米管材料有著更大的接觸面。這是因?yàn)榫酆象w鏈不能夠進(jìn)入納米管材料的管內(nèi)，僅僅是在頂部和底部表面跟碳納米管材料結(jié)合，而石墨烯片材更跟聚合體基體結(jié)合得更好。第三個(gè)優(yōu)勢(shì)是石墨烯的幾何結(jié)構(gòu)。當(dāng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的一個(gè)細(xì)小裂縫遭遇了一個(gè)二維石墨烯片材，（這些裂紋）就會(huì)轉(zhuǎn)向，或者被迫在片材周圍（對(duì)它）施加傾斜力或扭曲力。這個(gè)過(guò)程就減少?gòu)?fù)合材料細(xì)小裂紋的繼續(xù)蔓延發(fā)展并消化掉這種（破壞性）能量。使裂紋偏轉(zhuǎn)對(duì)于二維片材，尤其是有著高比度的石墨烯來(lái)說(shuō)，比一維碳納米管材料更有效。
Koratkar教授說(shuō)，航空和風(fēng)能工業(yè)在尋找新的更堅(jiān)固，壽命更長(zhǎng)的回轉(zhuǎn)軸和風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)材料。他和他的研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步研究如何利用石墨烯來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。石墨烯在這個(gè)方向有著非常大的應(yīng)用潛力，因?yàn)樗怯檬崛〉?，可以用相?duì)低的成本大量生產(chǎn)（也就是說(shuō)石墨烯的大規(guī)模生產(chǎn)在成本上比碳納米管材料更具優(yōu)勢(shì)。）
據(jù)悉，這些研究課題均由美國(guó)海軍研究局（ONR）、美國(guó)陸軍和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）出資贊助。
