石墨烯因其廣泛的奇妙特性而經常被稱為“奇跡材料”。這些特性使石墨烯超越了其他添加劑材料，從此成為許多應用和工業領域感興趣的材料，其中之一就是復合材料。

然而，當我們談論石墨烯時，我們實際上并不是在談論單一材料。根據尺寸、層數和缺陷，石墨烯有多種形式。近年來，石墨烯材料的集體家族被稱為“石墨烯”。

這很重要，因為每種類型的石墨烯具有不同的特性，使其適合不同的應用。如果您嘗試在應用中使用“錯誤”類型的石墨烯，那么您可能不會達到預期的結果。因此，選擇合適的石墨烯材料是成功的關鍵，其他類型石墨烯材料的失敗也不應該讓您望而卻步。您只需要找到合適的。

人們對石墨烯用于不同復合材料的興趣很大，從可穿戴技術到電池電極、醫療植入物、航空航天和汽車輕量化復合材料、混凝土、聚合物復合材料等等。在本文中，我們重點介紹一種被稱為大而薄且幾乎無缺陷 (LTDF) 石墨烯薄片的石墨烯材料，以及為什么與其他石墨烯材料相比，它是聚合物復合材料的有利選擇。

什么是復合材料？

復合材料由兩種或多種材料制成，組合后形成最終材料或產品。通過選擇和組合材料，您可以創建專為特定應用而設計的產品。石墨烯越來越被認為是一種改變游戲規則的添加劑，可以使復合材料更強、更輕、更靈活，同時還提供改進的導電性和導熱性（取決于需要）。

什么是 LTDF 石墨烯？為什么它是復合材料的最佳選擇？

顧名思義，LTDF 石墨烯薄片的缺陷非常少（在原子水平上總會有一些缺陷），并且薄片的橫向尺寸比石墨烯粉末和納米片中的平均石墨烯顆粒大得多。LTDF 薄片也非常薄，平均厚度低于 1 納米。

平均石墨烯粉末的橫向直徑通常為 15-200 nm。復合材料中使用的其他形式的石墨烯（即氧化石墨烯）可以具有高達個位數微米的納米尺寸薄片。相比之下，Avadain 生產的 LTDF 石墨烯薄片的平均側徑為 55 微米。

那么，為什么這一切很重要呢？對于復合材料，你會得到你所放入的東西。如果你放入高度缺陷、小尺寸或多層的石墨烯材料（特別是一些“石墨烯”材料在技術上是石墨），那么最終產品將令人失望。然而，如果您加入具有更好機械性能的更高質量的添加劑材料，那么您將獲得更耐用、堅固且結構合理的復合材料。

在復合材料方面，LTDF 石墨烯在許多方面都明顯優于較小的片狀石墨烯。造成這種情況的原因有幾個，包括較大的薄片尺寸具有更高的表面積與體積比，通過為主體在分子水平上相互作用提供更大的平臺來改善復合材料的機械性能。

LTDF 石墨烯的較大薄片尺寸還減少了需要添加到復合材料中以實現變革效果的石墨烯量。根據材料的不同，LTDF 石墨烯的添加量可以從 1% 的 1/10到3%。這種低劑量與平面粘合相結合，降低了小片狀或粉末石墨烯分散體造成的團聚風險。

石墨烯因其令人驚嘆的機械性能（例如優異的柔韌性和高拉伸強度）而引起了人們的極大興趣并引起了巨大的炒作。然而，橫向薄片尺寸大于 30 微米的石墨烯材料具有最佳的拉伸強度性能。超過這個直徑，您還會開始看到填料與基體的接觸面積大大改善，填料-基體界面處的應力傳遞效率良好，并且復合材料中的裂紋橋接性能更好。

當談到利用石墨烯作為添加劑的最佳特性時，理想的層數范圍是 1 到 5 層，因此對于高價值或要求苛刻的應用，您不希望石墨烯材料超出此范圍。

使用LTDF石墨烯的總體好處是，較大的薄片和主體之間的相互作用使得可以使用更少的材料，同時實現優異的機械和材料性能。LTDF 石墨烯的層數較少，能夠利用石墨烯的非凡特性。

用于聚合物復合材料的 LTDF 石墨烯薄片

聚合物復合材料市場巨大且不斷增長。根據 Vantage Market Research 的數據，2022 年全球復合材料市場價值為 934.6 億美元，預計到 2030 年將增至 1,512.4 億美元。分析公司 Markets and Markets 估計，2022 年全球復合材料市場價值為 1,137 億美元，2030 年將增至 1,686 億美元。

聚合物復合材料依靠添加劑材料來賦予其所需的物理性能。石墨烯越來越多地被集成到聚合物復合材料中，以使其更加耐用且結構健全。許多聚合物復合材料，包括環氧樹脂、PVA、PC、PVDF 和 PS，與石墨烯集成時都表現出更好的性能。與“純”聚合物材料相比，聚合物-石墨烯復合材料顯示出明顯優越的機械（彎曲韌性和拉伸強度）、熱學、氣體阻隔、電氣和阻燃性能，并且在結構和導電復合材料應用中引起了廣泛關注。

石墨烯聚合物復合材料的質量受到石墨烯固有特性的影響，包括其缺陷水平、尺寸以及與聚合物主體的界面反應。強復合材料的關鍵是填料和主體之間的相互作用。較大的薄片尺寸為石墨烯填料提供了較大的表面積，以便在分子水平上與聚合物相互作用，并在每個石墨烯薄片和聚合物主體之間提供緊密結合的網絡。

然而，團聚是許多石墨烯聚合物復合材料中的一個問題。團聚是由范德華力引起的，導致石墨烯顆粒被吸引到其他石墨烯顆粒上。團聚會導致石墨烯結塊并阻礙均勻分散。聚合物復合材料中填充材料的團聚通常會導致與主體的界面相互作用減少。復合材料中較低程度的界面相互作用最終會降低石墨烯改善復合材料性能的有效性。這通常會導致機械性能低于預期，而團聚是當今納米復合材料領域面臨的最大挑戰之一。從機械性能的角度來看，團聚也會導致團聚石墨烯團塊之間出現薄弱點。

鑒于集聚帶來的挑戰，已經開發出多種方法來消除這種集聚。然而，這些方法（例如對復合材料施加機械應力）可能會破壞石墨烯-聚合物復合材料的內部結構，導致機械性能較差。除其他問題外，這些方法還往往會破壞石墨烯，導致尺寸變小，從而缺乏石墨烯的出色強度。

通過使用較大的薄片尺寸，您可以避免這種結塊問題（因為它們不會像較小的薄片那樣自然地結塊），并且幾乎不需要或不需要可能影響材料整體強度和柔韌性的后處理處理。這就是為什么 LTDF 石墨烯可用于克服制造石墨烯聚合物復合材料時的一些關鍵挑戰。

還有一些聚合物復合材料具有少量的電導率（與其他材料相比較小）。在這些電子聚焦復合材料中添加 LTDF 石墨烯意味著您可以實現更強大的電子性能，同時仍將聚合物的機械性能用于預期應用，例如，在可穿戴技術、柔性傳感器或 EMI 中使用導電聚合物復合材料屏蔽應用。

結論

與較小的石墨烯材料相比，LTDF 石墨烯薄片所提供的有益特性非常重要且眾多。目前許多使用較小石墨烯薄片或石墨烯粉末的方法都是出于經濟原因，但這并不一定能產生最佳結果。事實上，它可能會引入薄弱區和變形。要使復合材料（無論是結構復合材料、導熱復合材料還是導電復合材料）獲得最佳性能結果，需要使用更原始且大于 30 微米的石墨烯薄片。

審核編輯：劉清