環氧樹脂由于具有良好的力學性能、粘結能力、化學穩定性、易加工性以及價格低廉等優點，廣泛應用于絕緣材料、結構材料、涂料及膠黏劑等領域。但環氧樹脂質脆、韌性不足等缺點，制約了其進一步發展和應用。因此，如何對環氧樹脂進行增韌改性是科學家們近年來努力的方向。近日，北京航空航天大學的程群峰教授團隊從“磚-泥”式的珍珠層結構獲得啟發，制備了石墨烯-環氧樹脂層狀仿生納米復合材料，所得到的納米復合材料的斷裂韌性是純環氧樹脂斷裂韌性的3.6倍，并基于材料各向異性導電性，實現了對材料中裂紋的實時監測。
環氧樹脂，作為一種常用的熱固型聚合物，在航空、電子、結構粘合劑、涂料、金屬涂層等領域有著廣泛的應用。高度交聯的環氧樹脂展示出高的強度和剛性，良好的化學穩定性和熱穩定性，但卻韌性不足。對于航空材料而言，低的韌性使得材料易發生裂紋、缺陷甚至斷裂，而這有可能會產生災難性的后果。因此人們使用各種納米納米填料，以提高環氧樹脂的斷裂韌性。常用的納米填料包括二氧化鈦、碳納米管、納米粘土以及氧化石墨烯等。雖然這些納米填料能夠一定程度上提高環氧樹脂的韌性，但卻無法避免過程中出現的團聚等問題。比如二氧化鈦顆粒嚴重的團聚現象會影響對材料韌性的提升;而以裂紋橋聯為增韌機制的碳納米管，雖能夠阻止裂紋生長，但同樣面臨團聚問題的困擾;納米粘土本身和環氧樹脂的不相容性，導致其不是環氧樹脂納米填料的最佳選擇。近年來熱門的石墨烯材料，由于和環氧樹脂之間的相互作用較弱，使得其增韌效果并不理想。
從上述問題可以看出，解決納米填料在復合材料中的團聚問題，是提高斷裂韌性的關鍵。此外，制備具有自我修復或者自我監測功能的復合材料，也是新型功能化材料的研究趨勢，構建了反鮑魚殼結構石墨烯-環氧樹脂納米復合材料(材料中含有~99%的有機環氧樹脂，故而稱之為反鮑魚殼結構石墨烯-環氧樹脂納米復合材料)。一方面使得材料的韌性提高到環氧樹脂的3.6倍;另一方面利用材料自身的導電特性，實現了對結構裂紋的監測。
通過冷凍技術制備的反鮑魚殼結構石墨烯-環氧樹脂納米復合材料，利用裂紋偏轉、橋聯和滑動摩擦力等增韌機制，顯著提高了材料的斷裂韌性。并且利用材料電阻值的變化，實現了對結構中裂紋的實時監測，幫助人們及時了解材料結構的變化，降低風險和成本，提高了納米復合材料的使用安全性。
來源：CellPress細胞科學、高分子科技
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