不同石墨烯基材料对复合材料热性能影响的对比研究(3)
1.2.2 还原氧化石墨烯
还原氧化石墨烯是指将氧化石墨烯经化学还原、电化学还原或热还原后得到的石墨烯。与原始的石墨烯及氧化石墨烯相比，还原氧化石墨烯的热导率介于两者之间。其原因是石墨结构即使在还原后仍有部分处于被氧化的状态所致。在石墨的氧化过程中，π键结构受到破坏从而产生缺陷，而在随后的还原过程中并不能将氧化阶段产生的含氧基团完全还原。还原氧化石墨烯由于残余的含氧功能团以及受到破坏的碳环结构等缺陷的存在，阻碍了热传导，导致热导率低于原始的石墨烯，但高于氧化石墨烯。
1.3 石墨纳米片
虽然石墨烯拥有近乎完美的性能，然而，由于其现阶段难以找到一种能进行大规模工业化生产的工艺手段，使得石墨烯的应用受到了一定的限制。直至石墨纳米片的出现，这一问题才得到了一定程度的解决。石墨纳米片是由单层石墨烯在厚度方向上堆积一定层数形成的，一般层数在10层以上但厚度仍处于纳米级别[10]。
石墨纳米片的工业生产方式相比于石墨烯更为简便，生产成本也更为低廉，而其性能也相当优异。研究表明，在室温条件下，石墨纳米片每个片层内的热导率可达250 W/(m•K)，而相邻片层之间的热导率也有80 W/(m•K)[11]。石墨纳米片的平面结构和高的比表面积使其在提高环氧树脂热导率方面远远优于炭黑纳米颗粒[12]和碳纳米管[13,14]等碳材料。截至目前为止，在所有有关通过石墨纳米片增强环氧树脂基体热导率的报道中，最大的复合材料热导率已经达到了6.6 W/(m•K)[15]。
1.4 石墨烯环氧树脂基复合材料
目前，有关石墨烯聚合物基复合材料的热性能，如热稳定性、玻璃化转变温度、热膨胀系数和热失重等的报道源源不断。然而，由于高分子聚合物在高温条件下容易发生分解，制约了其一定应用。而石墨烯的加入则可有效增强材料的热稳定性，这是因为分散在基体中的石墨烯具有大的比表面积所致[16-19]。Brinson等人[20]对聚丙烯腈的玻璃化转变温度（Tg）进行了研究，发现当向基体中添加1wt%的石墨烯时，复合材料的Tg提高了40℃。另外，由于石墨烯的热导率极高，将其作为导热填料来提高复合材料的热导率是一种极佳的选择[21]。研究发现，当向环氧树脂中添加25vol%的石墨烯时，材料的热导率提高到了原来的3倍左右。而对于传统的导热填料来说，要达到如此高的导热率，大约需要三倍于石墨烯的添加量[22]。此外，石墨烯的加入对复合材料的热膨胀、热失重等热性能均有着显著的影响。
1.4.1 环氧树脂概况
环氧树脂是指分子链中包含两个或两个以上环氧基的高分子聚合物，一般以芳香族、脂肪族或脂环族作为其主链，并且主链上存在环氧基及其它含氧基团的高分子材料。通常，环氧树脂由环氧氯丙烷和双酚A缩聚而成。在其结构中，各原子或基团对环氧树脂所贡献的性能如图1.3所示。
1.3 环氧树脂结构通式及各基团的作用
在室温条件下，未经固化的环氧树脂是以粘稠态的形式存在的。处于这种状态下的环氧树脂是无法使用的，必须经固化剂固化才能使用。固化后的环氧树脂单体分子之间发生交联反应，形成三文网状结构。这种结构的环氧树脂力学性能好，具有不溶不熔的特性。根据环氧树脂中环氧基结合方式的不同，可以将环氧树脂分为五大类。各类环氧树脂在性能上略有差异，但与其它高分子材料相比，环氧树脂均能表现出许多优良的性能。如环氧树脂的粘结性、耐热性、固化收缩率、电绝缘性等性能，与其它聚合物材料相比，表现都十分优秀。然而，环氧树脂同时也存在着一些不足之处，这些不足之处的存在严重制约了环氧树脂的发展及应用前景。由于环氧树脂固化后分子链呈三文交联网状结构，因此环氧树脂的脆性较大，疲劳性能及抗冲击韧性等都较差。为了弥补这一缺陷，在环氧树脂中添加填充剂从而形成环氧树脂复合材料是一种值得考虑的手段。而石墨烯作为一种优秀的复合材料填料，以其优异的综合性能，正是一种绝佳的选择。