[發明專利]石墨烯聚合物復合材料

有效

• 申請號: 201180006211.0
• 申請日: 2011-01-18
• 公開（公告）號: CN102741165B
• 公開（公告）日: 2017-12-01
• 發明（設計）人: 伊恩·安東尼·金洛克;羅伯特·約瑟夫·揚;康斯坦丁·謝爾蓋耶維奇·諾沃肖洛夫
• 申請（專利權）人: 曼徹斯特大學
• 主分類號: C01B32/194
• 分類號: C01B32/194;B82Y30/00
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司11227
• 代理人: 顧晉偉,王春偉

本發明涉及新型納米復合材料、納米復合材料的制造方法及納米復合材料的用途。

石墨烯是已知剛度最大的材料之一，楊氏模量為1TPa，使其成為用作高性能復合材料增強物的理想候選材料。我們發現，由石墨烯和石墨烯類似物可獲得具有一系列有利特性的新材料。我們還毫無疑義地證明，從聚合物基體向單層石墨烯發生應力傳遞，表明石墨烯充當增強相。我們還利用剪切滯后理論對該行為建模，表明石墨烯單層納米復合材料可以利用連續介質力學進行分析。此外，我們已經能夠監測石墨烯/聚合物界面的應力轉移效率和破壞。

自從石墨烯在2004年首次分離[1、2]，大部分的研究工作集中在其電子性質，針對諸如在電子器件等的應用[3、4]。最近的工作通過原子力顯微鏡利用納米壓痕研究了單層石墨烯的彈性力學性質[5]。結果表明，該材料的楊氏模量為約1TPa，并且內在強度為約130GPa，使其成為所測量過的強度最高的材料。

碳納米管被積極研究作為納米復合材料中的增強物[6、7]，并且已經公認采用片晶增強物如片狀納米粘土[8、9]作為添加劑來增強聚合物的力學特性和其它特性。最近已經證明，具有化學處理的石墨烯氧化物作為增強物的聚合物基納米復合材料可表現出在電子[10]和力學[11]性質方面的顯著改善(因而僅在聚甲基丙烯酸甲酯基體中負載1重量％的經化學處理的石墨烯時實現玻璃化轉變溫度增加30K)。然而，在這些現有技術的復合材料系統中出現的問題包括增強相難以分散以及分散相與聚合物基體之間的界面處的應力傳遞。迄今還不可能在不對石墨烯進行化學修飾的情況下生產聚合物復合材料。我們認為，這可能是由于材料不相容性方面的預期困難。

現在公認拉曼光譜可用于跟蹤用碳基材料例如碳纖維[12、13]和單壁和雙壁碳納米管[14-16]增強的各種復合材料中的應力傳遞。這種增強物具有明確限定的拉曼光譜并且其拉曼頻帶被發現隨應力而位移，這使得能夠監測在基體和增強相之間的應力傳遞。此外，已經建立了在G’碳拉曼帶的位移速率與應變之間的普遍校準[14]，這允許估計碳增強物的有效楊氏模量。最近的研究表明，由于從這些碳基材料的拉曼散射被共振增強，故可以由非常小量的碳材料例如在基材上分離[17]或在聚合物納米纖維中拆散和分離的碳納米管[18、19]得到強的明確限定的譜圖。

拉曼光譜也被用來表征石墨烯的結構和變形。已經證明，該技術可以用來確定石墨膜中的層數[20]。石墨烯單層的特征光譜中，G’帶(又稱為2D帶)可以具有單峰，而在雙層中G’帶由4個峰組成[20]，這是兩類樣品的電子結構之間差異的結果。最近的幾篇論文已經建立了在變形過程中單層石墨烯的拉曼帶位移[22-25]。石墨烯在通過對PDMS基材[22]或PMMA梁[23、24]進行拉伸[22、23]或壓縮[24]產生的張力下發生變形。還發現，G帶在張力下移動到低波數并且發生分裂。G’帶發生超過-50cm^-1/％應變的位移，這與其具有超過1TPa的楊氏模量是一致的[14]。最近對于石墨烯受到靜水壓力的研究[25]表明，這種模式的變形使拉曼帶移向高波數，并且該行為可以根據單軸張力下波帶位移的知識進行預測。

在本申請中，我們已經制備并測試了石墨烯基復合材料。我們已經使用拉曼光譜并利用石墨烯G’帶的應力敏感性來監測在由薄聚合物基體層和機械-解理單石墨烯單層構成的模型復合材料中的應力傳遞。這允許我們驗證我們的復合材料的有益特性。

根據本發明的一個方面，提供一種納米復合材料，包括：

(1)基材；

石墨烯或官能化石墨烯；

任選的粘合劑組分，用于將所述石墨烯或官能化石墨烯粘附至所述基材；和

任選的保護層，用于覆蓋所述石墨烯或官能化石墨烯；或

(2)分散在液體載體中的石墨烯或官能化石墨烯，其中所述液體載體在施加至表面后能夠形成涂覆所述表面的薄膜。

在一個實施方案中，所述納米復合材料包括：基材；石墨烯或官能化石墨烯；任選的粘合劑組分，用于將所述石墨烯或官能化石墨烯粘附至所述基材；和任選的保護層，用于覆蓋所述石墨烯或官能化石墨烯。

在一個實施方案中，所述納米復合材料包括附著至所述基材的石墨烯或官能化石墨烯。在一個替代實施方案中，所述納米復合材料為其中分散有石墨烯或官能化石墨烯的基材的形式。例如，所述石墨烯或官能化石墨烯可在擠出形成所述基材之前添加至聚合物混合物中。