石墨烯-高分子復(fù)合材料的制備及在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

吳 雙

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

0 引言

減輕航空器質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)航空器輕量化飛行可有效降低其燃料消耗，增大運(yùn)量和航程，拓寬航空器內(nèi)部空間，減小排放造成的環(huán)境污染，是提升航空器競(jìng)爭(zhēng)力的必要手段。20世紀(jì)中末期，研究人員發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)金屬材料相比，復(fù)合材料具有大幅度減輕航空器質(zhì)量的潛力，使用復(fù)合材料替代金屬材料后，航空器質(zhì)量可減輕20%～30%，目前輕型飛機(jī)和通用航空器復(fù)合材料用量可達(dá)70%～90%，直升機(jī)中復(fù)合材料用量可達(dá)50%～80%[1-2]。廣義的復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同材料經(jīng)過(guò)混合工藝組成的新型材料，其優(yōu)勢(shì)在于既可保持原組分材料的性能，又可通過(guò)兩組分混合獲取單組分材料無(wú)法比擬的新型材料。復(fù)合材料主要由基體和分散相構(gòu)成，在航空領(lǐng)域，常以高分子材料作為基體。

高分子材料具有耐磨、耐蝕性好、可塑性好、加工性能好等多種優(yōu)勢(shì)，其來(lái)源十分廣泛，可分為天然高分子材料、半合成高分子材料及合成高分子材料。相較于金屬材料，高分子材料較輕的質(zhì)量及更低廉的生產(chǎn)成本使其被視為制造航空器的理想材料[3-5]。然而，由于分子鏈中存在大量的缺陷和斷位，制備過(guò)程中常引入一定量雜質(zhì)，使大多數(shù)高分子材料強(qiáng)度較低，同時(shí)，由于缺乏可自由移動(dòng)的電子，限制了高分子材料的導(dǎo)電性能[6]。因此，常將其與其它高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性材料混合制成復(fù)合材料后應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。

石墨烯是一種典型二維納米材料，單原子層排列方式?jīng)Q定其具備高強(qiáng)、高韌、高導(dǎo)電等諸多優(yōu)異性質(zhì)，同時(shí)，相較于大多數(shù)金屬材料，石墨烯具有更輕的質(zhì)量及更優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)性能，被廣泛用于航空、航天領(lǐng)域的研究中。研究表明，當(dāng)其作為填料與高分子材料混合后，可有效提升原基體材料的強(qiáng)度、韌性，改善其導(dǎo)電性差的問(wèn)題[7-9]。

因此，本文介紹了石墨烯-高分子復(fù)合材料的制備方法、成型技術(shù)以及其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，以期為后續(xù)研究提供一定參考。

1 材料制備方法

使基體與分散相充分、均勻混合是保障復(fù)合材料性能的重要手段。石墨烯-高分子復(fù)合材料制備方法主要有原位聚合法、溶液共混法及熔融共混法。

1.1 原位聚合法

原位聚合法是指將反應(yīng)單體與催化劑共同加入到分散相或連續(xù)相中，單體逐步聚合后沉積在分散相表面，最終形成理想的復(fù)合材料。原位聚合法是制備石墨烯復(fù)合材料的常用方法，其優(yōu)點(diǎn)在于在各基團(tuán)間的相互作用下，石墨烯可均勻分散在聚合物基體中。但由于此方法操作復(fù)雜，產(chǎn)量小難以應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)中，因此其生產(chǎn)及應(yīng)用也受到了一定的限制[10]。

1.2 溶液共混法

溶液共混法主要是將石墨烯分散在合適的溶劑中使其與高分子填料實(shí)現(xiàn)互溶，待溶劑揮發(fā)后實(shí)現(xiàn)片層自組裝，形成氧化石墨烯-高分子復(fù)合材料夾層聚合物。此方法具有操作簡(jiǎn)單、組分易于控制等多種優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于石墨烯復(fù)合材料的制備過(guò)程中[11-12]。

1.3 熔融共混法

熔融共混法指當(dāng)基體處于熔融狀態(tài)下，利用剪切力使石墨烯與基體充分混合后均勻分布于基體中[13]。目前，熔融共混法是工業(yè)上制備石墨烯-高分子復(fù)合材料最常用的方法之一，尤其在熱塑性石墨烯-高分子復(fù)合材料的制備中應(yīng)用最為廣泛，且在其制備過(guò)程中無(wú)需使用任何溶劑、催化劑，具有較好的環(huán)保性。但由于混合過(guò)程中會(huì)受到料筒溫度、螺桿速度等多種因素影響，也使其混合效果弱于原位聚合法和溶液共混法[14]。

2 成型制造技術(shù)

先進(jìn)的成型技術(shù)是復(fù)合材料發(fā)展的基礎(chǔ)和條件，對(duì)最終成品件的性能具有決定性作用。石墨烯-高分子復(fù)合材料成型技術(shù)主要有3D打印技術(shù)、靜電紡絲技術(shù)及模壓成型技術(shù)。

2.1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)可將液態(tài)的石墨烯-高分子混合物按設(shè)定程序通過(guò)噴頭擠出，使材料不斷堆積成型。使用3D打印技術(shù)成型的混合物可以是溶液態(tài)或熔融態(tài)，具有較寬的可選擇性。同時(shí)，3D打印技術(shù)制造成品件也可縮短工藝流程，提高生產(chǎn)效率、節(jié)約原材料。此外，3D打印技術(shù)無(wú)需機(jī)械加工或任何模具，即可獲得與計(jì)算機(jī)程序設(shè)定一致的產(chǎn)品[15]，從上而下的材料堆積方式可實(shí)現(xiàn)非勻質(zhì)成品件和梯度成品件的制造，無(wú)需拼接、組裝即可獲得復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成品件。諸多的制造優(yōu)勢(shì)使其成為目前研究最熱門、最有前景的成型技術(shù)之一[16]。

2.2 靜電紡絲技術(shù)

使用靜電紡絲技術(shù)制備石墨烯-高分子復(fù)合材料時(shí)，在外電場(chǎng)的作用下，液態(tài)的石墨烯-高分子混合物在泰勒錐處被拉伸成細(xì)小射流，并最終固化在接收板上，形成超細(xì)纖維。此方法的優(yōu)點(diǎn)是：成本低，操作較為簡(jiǎn)便，可制備直徑在納、微米級(jí)別的超細(xì)纖維，滿足部分材料的特殊需求[17]。但是，由于產(chǎn)量小的問(wèn)題，也使靜電紡絲技術(shù)難以廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，目前，研究人員嘗試以多噴頭共紡等方法來(lái)提升其產(chǎn)量[18]。

2.3 模壓成型技術(shù)

模壓成型，又稱為壓制成型或壓縮成型，是指將粉、粒或纖維狀原材料放入成型溫度下的模具中使其固化成型的方法，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[19]。其優(yōu)點(diǎn)為原料利用率高，制品機(jī)械性能好，成型過(guò)程簡(jiǎn)單。但是，其成型周期較長(zhǎng)，效率低，模具成本高，有待進(jìn)一步改進(jìn)[14]。

3 航空領(lǐng)域研究進(jìn)展

3.1 電磁屏蔽材料

對(duì)于航空器而言，提高其在復(fù)雜環(huán)境下的兼容性，消除電磁輻射場(chǎng)對(duì)飛行人員的危害，是保障其安全性、可靠性的重要手段。目前，常見(jiàn)的電磁屏蔽材料主要有：金屬絲網(wǎng)、鎳-銅-鎳導(dǎo)電布、硅酯導(dǎo)電膠等，雖已能對(duì)復(fù)雜電磁場(chǎng)下的電磁輻射進(jìn)行有效防護(hù)，但仍存在質(zhì)量大等缺點(diǎn)。由于屏蔽性能好，質(zhì)量輕，聚合物-納米復(fù)合材料逐漸吸引了研究者的關(guān)注。李洋等嘗試將石墨烯與聚酰亞胺復(fù)合后制備出具有三明治結(jié)構(gòu)的復(fù)合泡沫，研究表明該材料不僅質(zhì)量輕還具有優(yōu)異的電磁屏蔽性、良好的耐高溫性等特征，并且能吸附自身重量47倍～120倍的有機(jī)污染物[20]，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 航空智能材料

因結(jié)構(gòu)靈活、形狀可變，變體航空器已成為未來(lái)先進(jìn)飛行器的重要發(fā)展方向。由于構(gòu)成變體飛行器的傳統(tǒng)智能材料存在質(zhì)量大、成本高、形狀記憶效應(yīng)有待提升的問(wèn)題，研究人員嘗試采用輕質(zhì)的聚氨酯復(fù)合材料對(duì)其進(jìn)行代替。聚氨酯介電彈性體具有電質(zhì)形變大、響應(yīng)速度快、彈性高、質(zhì)量輕等諸多優(yōu)勢(shì)，具有很高的研究?jī)r(jià)值。研究發(fā)現(xiàn)：以適量二氧化鈦修飾的石墨烯為填料，對(duì)聚氨酯基體進(jìn)行功能改性，功能彈性體最大電致應(yīng)變值可達(dá)普通聚氨酯基體的1.8倍[21]，在航空智能材料領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。

3.3 雷擊防護(hù)膜

對(duì)于航空器而言，在其表面構(gòu)筑導(dǎo)電性能優(yōu)異的累積防護(hù)膜，可降低其對(duì)強(qiáng)電磁效應(yīng)的累積從而提升飛行安全。研究嘗試將石墨烯分散在環(huán)氧樹(shù)脂中制成濕膠膜，涂在鍍銀無(wú)紡布上后烘干，制備出雷擊防護(hù)膜的導(dǎo)電導(dǎo)熱層，這種導(dǎo)電導(dǎo)熱層成型后具有良好的外觀，無(wú)缺膠、褶皺或不粘連的情況發(fā)生，不但質(zhì)量輕，多層疊加后還具有良好的防雷擊效果[22]。

3.4 承力結(jié)構(gòu)件材料

環(huán)氧樹(shù)脂具有質(zhì)量輕、附著性好、生產(chǎn)成本較低、收縮性低、易于成型、強(qiáng)度較高等多種優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)承力結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域。研究表明，向樹(shù)脂基體中添加適量納米石墨烯所得的復(fù)合材料相較于純樹(shù)脂材料其彎曲強(qiáng)度最高提升了31.9%，拉伸強(qiáng)度最高提升了53.4%[23]，為其在承力結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的發(fā)展提供了更多的可行性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)石墨烯-高分子復(fù)合材料的研究得出結(jié)論如下：

(1)目前，石墨烯-高分子復(fù)合材料的制備方法及成型技術(shù)已較為成熟，但其在航空領(lǐng)域仍以試驗(yàn)室研究為主，有待于研究人員的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)；

(2)石墨烯-高分子復(fù)合材料的優(yōu)異性能決定了其在航空領(lǐng)域廣闊的發(fā)展前景，具有巨大的開(kāi)發(fā)價(jià)值。