石墨烯-高分子復合材料的制備及在航空領域的應用

吳 雙

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引言

減輕航空器質量，實現航空器輕量化飛行可有效降低其燃料消耗，增大運量和航程，拓寬航空器內部空間，減小排放造成的環境污染，是提升航空器競爭力的必要手段。20世紀中末期，研究人員發現，與傳統金屬材料相比，復合材料具有大幅度減輕航空器質量的潛力，使用復合材料替代金屬材料后，航空器質量可減輕20%～30%，目前輕型飛機和通用航空器復合材料用量可達70%～90%，直升機中復合材料用量可達50%～80%[1-2]。廣義的復合材料是指由兩種或兩種以上不同材料經過混合工藝組成的新型材料，其優勢在于既可保持原組分材料的性能，又可通過兩組分混合獲取單組分材料無法比擬的新型材料。復合材料主要由基體和分散相構成，在航空領域，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勢，其來源十分廣泛，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量及更低廉的生產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，制備過程中常引入一定量雜質，使大多數高分子材料強度較低，同時，由于缺乏可自由移動的電子，限制了高分子材料的導電性能[6]。因此，常將其與其它高強度、高導電性材料混合制成復合材料后應用于工業生產中。

石墨烯是一種典型二維納米材料，單原子層排列方式決定其具備高強、高韌、高導電等諸多優異性質，同時，相較于大多數金屬材料，石墨烯具有更輕的質量及更優異的力學和電學性能，被廣泛用于航空、航天領域的研究中。研究表明，當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度、韌性，改善其導電性差的問題[7-9]。

因此，本文介紹了石墨烯-高分子復合材料的制備方法、成型技術以及其在航空領域的應用，以期為后續研究提供一定參考。

1 材料制備方法

使基體與分散相充分、均勻混合是保障復合材料性能的重要手段。石墨烯-高分子復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單體與催化劑共同加入到分散相或連續相中，單體逐步聚合后沉積在分散相表面，最終形成理想的復合材料。原位聚合法是制備石墨烯復合材料的常用方法，其優點在于在各基團間的相互作用下，石墨烯可均勻分散在聚合物基體中。但由于此方法操作復雜，產量小難以應用于大規模生產中，因此其生產及應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現互溶，待溶劑揮發后實現片層自組裝，形成氧化石墨烯-高分子復合材料夾層聚合物。此方法具有操作簡單、組分易于控制等多種優點，被廣泛應用于石墨烯復合材料的制備過程中[11-12]。

1.3 熔融共混法

熔融共混法指當基體處于熔融狀態下，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，熔融共混法是工業上制備石墨烯-高分子復合材料最常用的方法之一，尤其在熱塑性石墨烯-高分子復合材料的制備中應用最為廣泛，且在其制備過程中無需使用任何溶劑、催化劑，具有較好的環保性。但由于混合過程中會受到料筒溫度、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

先進的成型技術是復合材料發展的基礎和條件，對最終成品件的性能具有決定性作用。石墨烯-高分子復合材料成型技術主要有3D打印技術、靜電紡絲技術及模壓成型技術。

2.1 3D打印技術

3D打印技術可將液態的石墨烯-高分子混合物按設定程序通過噴頭擠出，使材料不斷堆積成型。使用3D打印技術成型的混合物可以是溶液態或熔融態，具有較寬的可選擇性。同時，3D打印技術制造成品件也可縮短工藝流程，提高生產效率、節約原材料。此外，3D打印技術無需機械加工或任何模具，即可獲得與計算機程序設定一致的產品[15]，從上而下的材料堆積方式可實現非勻質成品件和梯度成品件的制造，無需拼接、組裝即可獲得復雜結構的成品件。諸多的制造優勢使其成為目前研究最熱門、最有前景的成型技術之一[16]。

2.2 靜電紡絲技術

使用靜電紡絲技術制備石墨烯-高分子復合材料時，在外電場的作用下，液態的石墨烯-高分子混合物在泰勒錐處被拉伸成細小射流，并最終固化在接收板上，形成超細纖維。此方法的優點是：成本低，操作較為簡便，可制備直徑在納、微米級別的超細纖維，滿足部分材料的特殊需求[17]。但是，由于產量小的問題，也使靜電紡絲技術難以廣泛應用于工業生產中，目前，研究人員嘗試以多噴頭共紡等方法來提升其產量[18]。

2.3 模壓成型技術

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，被廣泛應用于工業領域[19]。其優點為原料利用率高，制品機械性能好，成型過程簡單。但是，其成型周期較長，效率低，模具成本高，有待進一步改進[14]。

3 航空領域研究進展

3.1 電磁屏蔽材料

對于航空器而言，提高其在復雜環境下的兼容性，消除電磁輻射場對飛行人員的危害，是保障其安全性、可靠性的重要手段。目前，常見的電磁屏蔽材料主要有：金屬絲網、鎳-銅-鎳導電布、硅酯導電膠等，雖已能對復雜電磁場下的電磁輻射進行有效防護，但仍存在質量大等缺點。由于屏蔽性能好，質量輕，聚合物-納米復合材料逐漸吸引了研究者的關注。李洋等嘗試將石墨烯與聚酰亞胺復合后制備出具有三明治結構的復合泡沫，研究表明該材料不僅質量輕還具有優異的電磁屏蔽性、良好的耐高溫性等特征，并且能吸附自身重量47倍～120倍的有機污染物[20]，具有巨大的應用價值。

3.2 航空智能材料

因結構靈活、形狀可變，變體航空器已成為未來先進飛行器的重要發展方向。由于構成變體飛行器的傳統智能材料存在質量大、成本高、形狀記憶效應有待提升的問題，研究人員嘗試采用輕質的聚氨酯復合材料對其進行代替。聚氨酯介電彈性體具有電質形變大、響應速度快、彈性高、質量輕等諸多優勢，具有很高的研究價值。研究發現：以適量二氧化鈦修飾的石墨烯為填料，對聚氨酯基體進行功能改性，功能彈性體最大電致應變值可達普通聚氨酯基體的1.8倍[21]，在航空智能材料領域具有一定的應用前景。

3.3 雷擊防護膜

對于航空器而言，在其表面構筑導電性能優異的累積防護膜，可降低其對強電磁效應的累積從而提升飛行安全。研究嘗試將石墨烯分散在環氧樹脂中制成濕膠膜，涂在鍍銀無紡布上后烘干，制備出雷擊防護膜的導電導熱層，這種導電導熱層成型后具有良好的外觀，無缺膠、褶皺或不粘連的情況發生，不但質量輕，多層疊加后還具有良好的防雷擊效果[22]。

3.4 承力結構件材料

環氧樹脂具有質量輕、附著性好、生產成本較低、收縮性低、易于成型、強度較高等多種優勢，被廣泛應用于飛機承力結構材料領域。研究表明，向樹脂基體中添加適量納米石墨烯所得的復合材料相較于純樹脂材料其彎曲強度最高提升了31.9%，拉伸強度最高提升了53.4%[23]，為其在承力結構材料領域的發展提供了更多的可行性。

4 結論

通過對石墨烯-高分子復合材料的研究得出結論如下：

(1)目前，石墨烯-高分子復合材料的制備方法及成型技術已較為成熟，但其在航空領域仍以試驗室研究為主，有待于研究人員的進一步開發；

(2)石墨烯-高分子復合材料的優異性能決定了其在航空領域廣闊的發展前景，具有巨大的開發價值。