多功能环氧纳米复合材料长期以来被视为未来飞行器的关键部件，但其实际应用却受到来自高度交联网络的韧性差和化学活性缺失的限制。环氧树脂较差的韧性使得其耐冲击性弱，进而导致毁灭性的破坏。通过范德华力、化学键和配位等界面调控，可增强纳米填料和环氧树脂基体之间的界面耦合，且取得了初步成功。然而，以往对结构-功能一体化环氧纳米复合材料的研究大多集中在通过将环氧树脂与少量纳米填料混合来实现增韧和功能化，但随着负载含量的增加，纳米材料的团聚将不可避免；相应地，环氧纳米复合材料功能性和力学性能的改善将达到饱和甚至下降。因此，预构建纳米材料的宏观组装结构并构筑环氧纳米复合材料是应对这一挑战的极具前景的解决方案。
图1 石墨烯封装液态金属框架结构及其环氧纳米复合材料的制备流程
哈尔滨工业大学化工与化学学院胡桢教授团队长期从事复合材料领域高性能增强体的研究工作。近期，团队受“脆-韧”层压结构启发合成了一种应力诱导石墨烯封装液态金属宏观框架，以提高多功能环氧纳米复合材料的断裂韧性和多功能特性；并研究了其电磁干扰屏蔽、室外除冰性能。具体而言，此工作通过将氧化石墨烯对液态金属的封装作用与压力诱导取向相结合，合成了高度有序的液态金属/石墨烯骨架（LMGF），并通过真空灌注和后续固化制备了LMGF/环氧纳米复合材料。其中，环氧树脂作为脆性组分，石墨烯封装的液态金属骨架作为韧性组分，同时实现了高载荷、均匀的空间分布和优先取向，从而有效提高了断裂韧性和导电性。这些具有精确有序“脆-韧”层压结构的环氧纳米复合材料能够实现有效的裂纹偏转和独特的断裂表面（图2），作者通过一系列相应的表征进行了考察和评价。此外，这种特殊的环氧纳米复合材料在X波段表现出48.24 dB的高电磁干扰屏蔽性能，约为纯环氧树脂（~2.4 dB）的20倍。其高效的太阳能除冰能力使表面的冰/霜在3分钟内自发融化。这项工作首次充分证明石墨烯封装液态金属框架作为增强填料在环氧纳米复合材料中实现了高韧性、电磁屏蔽能力和太阳能除冰性能的统一，为构建用于航空飞行器的高韧性多功能环氧纳米复合材料提供了一种选择。
图2 LMGF-EP纳米复合材料的断裂韧性表征及断裂过程中液态金属分裂现象
该工作以“Toughing epoxy nanocomposites with graphene-encapsulated liquid metal framework”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上（Chem. Eng. J. 2023, 455, 140887）。论文第一作者为哈尔滨工业大学化工与化学学院博士生李达，通讯作者为胡桢教授。该研究得到军委科技委基础加强计划技术领域基金（no. 2019-JCJQ-JJ-302），航空科学基金（No. 2019ZF077009），哈尔滨工业大学青年科学家工作室，哈尔滨工业大学空间环境与物质科学院基础研究基金，中央高校基本科研业务费专项资金（No. HIT.OCEF.2021024）等项目的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140887
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