西安交通大学《CEJ》：焦耳加热法制备碳纤维/石墨烯复合材料，用于航空航天中雷击防护和电磁干扰

成果简介

复合材料的轻质和低成本保护层是航空业的未来需求。然而，目前的方法不能同时满足雷击防护和电磁干扰的双重要求。本文，西安交通大学 王奔副教授团队在《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“Joule heating synthesis of carbon fiber/graphene 3D crosslinked structure for lightning strike protection and electromagnetic interference in aerospace composites”的论文，研究通过卷对卷焦耳加热工艺制备了一种内部连续的碳纤维毡/石墨烯混合薄膜，该薄膜具有优异的导电性和导热性，并具有更强的机械性能。

将石墨烯作为导电桥接介质引入碳纤维毡中，通过焦耳加热使其与碳纤维共价键合，从而构建三维结构网络。石墨烯含量为 19 wt% 的混合薄膜具有最佳导电性，环氧树脂固化后的电导率和导热系数分别提高了 5.2 倍和 1.8 倍（2690 S-m-1 对 518 S-m-1，0.49 W-m-1-K-1 对 0.27 W-m-1-K-1）。此外，混合薄膜还可作为复合材料表面的保护层。在遭受峰值为 100 kA 的雷击后，复合材料的损坏率明显降低，剩余强度保持在 98% 的水平。此外，X 波段的电磁屏蔽效果提高了51.94dB，这表明制备的混合薄膜是一种替代商用铜网的有前途的材料。

图文导读

图1.（a） 主要制备过程示意图。（b） 演示设备和试样制备。（c） 焦耳加热后的一些试样。

图2.（A-C）原始CFF的内部结构和纤维形态。（d-f）浸润CFF中纤维和GO片之间的相互作用。（G-I）焦耳热后内部结构的形态转变。

图3：（a1-a3）原始 CF、CF-GO 和 CF-石墨烯的 TEM 图像。(b) 原始 CFF 和改性 CFF 的 XRD 图。(c) 焦耳加热过程中 GO 片排列的变化。(d) CF 与石墨烯之间共价键的形成机理。(e) 与石墨烯片交联的两个独立 CF 的扫描电镜图像。(f) CF 与石墨烯交联区域的 TEM 图像。(g) 石墨烯片之间交联区域的 TEM 图像。

图4.（a） 电导率与石墨烯含量的函数关系。（b） 最佳石墨烯含量下电导率与温度的函数关系。（c） 不同加热温度下的拉曼光谱。（d） 不同加热温度下的电导率比较。（e） 不同加热时间的拉曼光谱。（f） 不同加热时间的电导率比较。（g） 用环氧树脂热压固化后，原始CFF和改性CFF与最佳石墨烯含量的导电性和导热性比较。（h） 原始和改良CFF的热重曲线。

图5.（a）不同石墨烯含量的原始和改性CFF的应力-应变曲线和损伤行为。（乙-丙）拉伸后未拉伸CFF中的卷曲纤维和断裂部分内拉直纤维的SEM图像。（D-E）裂缝截面上改性CFF的微观形态。（f1-f2）交联区域原位拉伸前后的光学显微图像。（g） 断裂机制示意图。

图6。撞击前和撞击后CFRP、CFRP-Cu、CFRP-CFF和CFRP改性CFF（a1-a4）的数字图像。（c）纯CFRP、（d）CFRP-Cu、（e）CFRP-CFF和（d）碳纤维增强改性CFF的CT图像。

图7. (a) 试样的 EMI SET。(b) 试样的平均 EMI SE。(c) EMI 屏蔽增强的机理。

小结

这项研究采用了低成本的碳纤维毡和石墨烯片，并通过高效焦耳加热实现了石墨烯片的快速还原。极高的温度（2800 ℃）促进了碳纤维和石墨烯片之间的共价交联，构建了内部连续的三维导电网络，改性碳纤维毡的导电性能和机械性能也随之得到提升。导电性能的大幅提高揭示了该材料在雷击防护领域的应用潜力。综上所述，本研究中提出的更为可得的原材料和便捷的加工技术为商用铜网提供了一种可能的替代品，为碳材料在航空、通信、电子和散热系统等领域的广泛应用提供了基础。

文献：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145583