环氧基纳米复合材料技术

环氧基纳米复合材料具有强度高、重量轻等优点，是一种广泛应用于工程领域的新型复合材料。其中，环氧-石墨烯纳米复合材料作为碳纤维增强复合材料的替代材料，在航空航天领域具有广阔的应用前景。传统的环氧-石墨烯纳米复合材料中，石墨烯纳米片与环氧基体均匀混合，但由于石墨烯在其中分散性差、应力传递效率低，其力学性能的提升往往受到限制。

一、仿生新思路：石墨烯，增韧

北京航空航天大学程群峰教授团队提出了以质量分数约为99%有机环氧基树脂为基体，与天然珍珠层(质量分数约为96%无机文石片)相反的反向仿珍珠层的环氧-石墨烯纳米复合材料。

该技术采用冰模板工艺制备石墨烯基层状骨架，然后将环氧树脂渗透到骨架内，得到层状纳米复合材料。其中，石墨烯骨架仅占整体质量分数的0.73%左右，但其断裂韧性提高到约2.53 MPa m1/2，是纯环氧树脂的约3.6倍。

结果表明：反向仿珍珠层层状环氧-石墨烯纳米复合材料具有良好的断裂韧性，可以实现传统环氧-石墨烯纳米复合材料的应用。此外，由于石墨烯基支架的导电性，反向仿珍珠层层状环氧-石墨烯纳米复合材料具有自监测功能，可以通过电阻的变化检测裂纹的扩展。引入反向仿珍珠层层状结构的策略可以启发未来纳米复合材料的设计，使其具有更高的安全性和自我监控能力。可应用于飞机的不同部件，包括骨架、面板、机身等。另外，自我监控功能也使这些零件更加安全，避免了关键部位的灾难性故障。

二、二元复材：磷酸锆，耐磨

通过将氟化石墨材料，与片层状纳米磷酸锆通过双功能或多功能分子复合，制备得到的二元复合材料可以很好的环氧树脂基体中，可提高环氧树脂基体的拉伸强度等机械性能，并提高环氧树脂涂层材料的耐摩擦及防腐蚀等性能。

制备方法：将1g氟化石墨与1g磷酸锆加入到10ml聚醚胺D230中，搅拌均匀，得到氟化石墨磷酸锆二元复合材料。将氟化石墨、磷酸锆与聚醚胺D230的混合物用乙醇离心清洗3次，以除掉多余聚醚胺D230，并干燥得到纯化的氟化石墨磷酸锆二元复合材料。

三、二元复合材料在环氧树脂的应用

1、增强环氧树脂材料（氟化石墨/磷酸锆二元复合材料在环氧树脂中的浓度为～5％）

（1）制备方法： 将6.7g的氟化石墨/磷酸锆二元复合材料与32g聚醚胺D230中搅拌均匀后加入到96g环氧树脂E44中，将三者充分搅拌均匀后倒入预先涂好脱模剂的不锈钢模具中，然后放入烘箱中固化。固化条件为80℃两小时后120℃两小时。固化后自然冷却到室温，将样品从模具中取出进行机械性能拉伸试验测试。拉伸试验样品参照ASTM D638标准制备，断裂韧性试验样品参照ASTM D5045标准制备。

（2）机械性能测试对比结果：

由上表可知，采用氟化石墨/磷酸锆二元复合材料对环氧树脂进行填充可显著提升环氧树脂材料的机械性能。

2、增强环氧树脂材料涂层（氟化石墨/磷酸锆二元复合材料在环氧树脂中的浓度为～30％）

（1）制备方法：将0.6g的氟化石墨/磷酸锆二元复合材料溶解于50ml丙酮溶液中，再依次加入0 0.32g聚醚胺及0.96g环氧树脂E44。将上述溶液充分搅拌均匀后，喷涂到玻璃表面，待溶剂挥发后放入烘箱中固化。固化条件为80℃两小时后120℃两小时。固化后自然冷却到室温，将样品进行表面摩擦测试。其涂层表面摩擦系数根据国标GB/T10006测试，表面接触角通过接触角测试仪测定。

（2）表面性能测试对比结果：

由上表可以看出，采用此二元复合材料制备环氧树脂涂层，可显著改善涂层的表面性能。

最后，小编想说关于环氧基纳米复合材料及任何产品的发展技术，不能只看表面，要遛到其背后，研究其作用机理，才能把产品用在合适的地方，发挥其最大的价值！

如：当无机粉体纳米颗粒磷酸锆作为填充材料，其主要作用是提高基体的使用性能：添加到橡胶和塑料中可提高其机械强度及阻隔性能；添加到油漆涂料等中提高基体的覆盖力和耐久性等；添加到润滑油脂中提高油脂的润滑抗磨性能。

另外，由于磷酸锆α层间有大量的Brφnsted酸点和Lewis酸点,在高温燃烧时能催化聚合物交联成炭,形成“屏障”,阻隔可燃气体、氧气和热量的传输,是一类新型高效的纳米阻燃剂,在聚合物及复合材料阻燃方面有着潜在可行性。