石墨烯複合材料之機械性質_機理 (#5)

01-30

2015-7-8

複合材料是一種具有多相結構的材料。它由基體 (高聚物樹脂、金屬、陶瓷等)和增強劑 (纖維或粉粒狀填料)組合而成。而石墨烯氧化物 (GO) 是石墨烯的氧化產物，具有超高的強度和柔韌性，具有超大的比表面積，結構中含有羥基、羧基、環氧基等基團，容易形成納米分散片層，容易與聚合物、陶瓷等形成插層複合物，具有明顯的增強增韌作用。基體和增強劑表面之間是依靠場 (力場和電場)或化學鍵、氫鍵等作用互相聯繫著的，因此在界面上有著一系列的效應。其中，包括傳遞效應，如力的傳遞﹔阻斷效應，如裂紋擴展的阻斷﹔吸收和散射效應，如對各種波的傳播發生吸收和散射﹔以及誘導作用，即一種物質的表面結構使另一種與之接觸物質的結構由子誘導作用而發生改變。

界面的結合主要有物理和化學兩部分。所謂物理結合力即一般所說的范德華力，實際上包括偶極定向力、誘導偶極定向力和色散力。其中以偶極定向力最強，色散力最弱。而化學結合力是指界面上產生了共價鍵包括配位鍵和金屬鍵。兩個表面之間的結合中，物理結合是整個接觸面的作用，化學結合只靠其中產生的化學鍵，而它佔有的部分對整個面而言是很小的，但由於化學結合能大，所以也有不可忽視的地位。

由於複合材料的成型一般採用固體的增強劑與液態的基體複合，然後再使整體固化的方法，所以首先是考慮增強劑的結構特性，然後再看基體材料與之配合的情況。於是，影響物理結合的因素對於增強劑來說是它的比表面、表面能的大小用表面張力表示、表面上的孔和孔徑分布﹔而對於處於液態的基體，則要看它表面張力和粘度。因而形成複合材料後，由於工藝過程中帶來的殘餘內應力，以及由於兩種材料的膨脹係數不同而形成的熱應力，也會對物理結合帶來影響。化學結合則要看增強劑表面上帶有什麼化學活性基團以及它的濃度如何。對於基體，則要考慮它能否與增強劑的活性基團產生化學反應。當然，在很多情況下，要考慮加入一種偶聯劑來起著與雙方發生反應的媒介作用。

在金屬基複合材料也傳來捷報，中航工業航材院的科研人員將石墨烯納米片均勻分布在鋁合金基體中，與基體形成良好的結合界面，且石墨烯納米片與鋁合金基體未發生化學反應，並保留了原始的納米片結構；鋁基烯合金中石墨烯納米片含量為 0.3nwt.%時，鋁基烯合金的屈服強度和抗拉強度分別達到 322nMPa和 455nMPa，較未添加石墨烯納米片的合金分別提高 58 %和 25 %，且合金的伸長率沒有降低。

在複合材料上加入石墨烯氧化物作為增強增韌材料的效果卓著，沒想到連無機材料也有著優異的功效。混凝土是一類具有高脆性和多孔性的複合材料，容易出現裂縫、滲透和遭受衝擊損壞等問題。從早期的鋼筋混凝土、預應力混凝土到目前的依靠各種增強纖維和外加劑的高性能混凝土，其目的都是要提高混凝土的強度和耐久性，同時也說明混凝土技術一直圍繞著提高強度特別是提高韌性的核心在不斷地發展之中。目前提高混凝土抗衝擊韌性的主要方法是依賴於高強度的鋼材和各種高性能的纖維，實現提高混凝土強度的同時提高韌性、降低脆性，其結果是在提高韌性、降低脆性方面的效果不顯著，卻導致了高性能混凝土的高成本和資源的高消耗。當石墨烯氧化物 (GO)滲量為 0.03 wt%時，是水泥水化產物形成花朵狀晶體，並使水泥基複合材料的拉身強度、抗折強度及壓縮強度比照原樣品分別提高了 65.5%、60.7%和 38.9%，相互穿透及交聯成三維立體結構，從而產生了明顯的增強增韌效果。