作者：利亚姆·克里奇利（Liam Critchley）（化学和纳米技术作家）
石墨烯因其广泛的奇妙特性而经常被称为“奇迹材料”。这些特性使石墨烯超越了其他添加剂材料，从此成为许多应用和工业领域感兴趣的材料，其中之一就是复合材料。
然而，当我们谈论石墨烯时，我们实际上并不是在谈论单一材料。根据尺寸、层数和缺陷，石墨烯有多种形式。近年来，石墨烯材料的集体家族被称为“石墨烯”。
这很重要，因为每种类型的石墨烯具有不同的特性，使其适合不同的应用。如果您尝试在应用中使用“错误”类型的石墨烯，那么您可能不会达到预期的结果。因此，选择合适的石墨烯材料是成功的关键，其他类型石墨烯材料的失败也不应该让您望而却步。您只需要找到合适的。
人们对石墨烯用于不同复合材料的兴趣很大，从可穿戴技术到电池电极、医疗植入物、航空航天和汽车轻量化复合材料、混凝土、聚合物复合材料等等。在本文中，我们重点介绍一种被称为大而薄且几乎无缺陷 (LTDF) 石墨烯薄片的石墨烯材料，以及为什么与其他石墨烯材料相比，它是聚合物复合材料的有利选择。
什么是复合材料？
复合材料由两种或多种材料制成，组合后形成最终材料或产品。通过选择和组合材料，您可以创建专为特定应用而设计的产品。石墨烯越来越被认为是一种改变游戏规则的添加剂，可以使复合材料更强、更轻、更灵活，同时还提供改进的导电性和导热性（取决于需要）。
什么是 LTDF 石墨烯？为什么它是复合材料的最佳选择？
顾名思义，LTDF 石墨烯薄片的缺陷非常少（在原子水平上总会有一些缺陷），并且薄片的横向尺寸比石墨烯粉末和纳米片中的平均石墨烯颗粒大得多。LTDF 薄片也非常薄，平均厚度低于 1 纳米。
平均石墨烯粉末的横向直径通常为 15-200 nm。复合材料中使用的其他形式的石墨烯（即氧化石墨烯）可以具有高达个位数微米的纳米尺寸薄片。相比之下，Avadain 生产的 LTDF 石墨烯薄片的平均侧径为 55 微米。
那么，为什么这一切很重要呢？对于复合材料，你会得到你所放入的东西。如果你放入高度缺陷、小尺寸或多层的石墨烯材料（特别是一些“石墨烯”材料在技术上是石墨），那么最终产品将令人失望。然而，如果您加入具有更好机械性能的更高质量的添加剂材料，那么您将获得更耐用、坚固且结构合理的复合材料。
在复合材料方面，LTDF 石墨烯在许多方面都明显优于较小的片状石墨烯。造成这种情况的原因有几个，包括较大的薄片尺寸具有更高的表面积与体积比，通过为主体在分子水平上相互作用提供更大的平台来改善复合材料的机械性能。
LTDF 石墨烯的较大薄片尺寸还减少了需要添加到复合材料中以实现变革效果的石墨烯量。根据材料的不同，LTDF 石墨烯的添加量可以从 1% 的 1/10到3%。这种低剂量与平面粘合相结合，降低了小片状或粉末石墨烯分散体造成的团聚风险。
石墨烯因其令人惊叹的机械性能（例如优异的柔韧性和高拉伸强度）而引起了人们的极大兴趣并引起了巨大的炒作。然而，横向薄片尺寸大于 30 微米的石墨烯材料具有最佳的拉伸强度性能。超过这个直径，您还会开始看到填料与基体的接触面积大大改善，填料-基体界面处的应力传递效率良好，并且复合材料中的裂纹桥接性能更好。
当谈到利用石墨烯作为添加剂的最佳特性时，理想的层数范围是 1 到 5 层，因此对于高价值或要求苛刻的应用，您不希望石墨烯材料超出此范围。
使用LTDF石墨烯的总体好处是，较大的薄片和主体之间的相互作用使得可以使用更少的材料，同时实现优异的机械和材料性能。LTDF 石墨烯的层数较少，能够利用石墨烯的非凡特性。
用于聚合物复合材料的 LTDF 石墨烯薄片
聚合物复合材料市场巨大且不断增长。根据 Vantage Market Research 的数据，2022 年全球复合材料市场价值为 934.6 亿美元，预计到 2030 年将增至 1,512.4 亿美元。分析公司 Markets and Markets 估计，2022 年全球复合材料市场价值为 1,137 亿美元，2030 年将增至 1,686 亿美元。
聚合物复合材料依靠添加剂材料来赋予其所需的物理性能。石墨烯越来越多地被集成到聚合物复合材料中，以使其更加耐用且结构健全。许多聚合物复合材料，包括环氧树脂、PVA、PC、PVDF 和 PS，与石墨烯集成时都表现出更好的性能。与“纯”聚合物材料相比，聚合物-石墨烯复合材料显示出明显优越的机械（弯曲韧性和拉伸强度）、热学、气体阻隔、电气和阻燃性能，并且在结构和导电复合材料应用中引起了广泛关注。
石墨烯聚合物复合材料的质量受到石墨烯固有特性的影响，包括其缺陷水平、尺寸以及与聚合物主体的界面反应。强复合材料的关键是填料和主体之间的相互作用。较大的薄片尺寸为石墨烯填料提供了较大的表面积，以便在分子水平上与聚合物相互作用，并在每个石墨烯薄片和聚合物主体之间提供紧密结合的网络。
然而，团聚是许多石墨烯聚合物复合材料中的一个问题。团聚是由范德华力引起的，导致石墨烯颗粒被吸引到其他石墨烯颗粒上。团聚会导致石墨烯结块并阻碍均匀分散。聚合物复合材料中填充材料的团聚通常会导致与主体的界面相互作用减少。复合材料中较低程度的界面相互作用最终会降低石墨烯改善复合材料性能的有效性。这通常会导致机械性能低于预期，而团聚是当今纳米复合材料领域面临的最大挑战之一。从机械性能的角度来看，团聚也会导致团聚石墨烯团块之间出现薄弱点。
鉴于集聚带来的挑战，已经开发出多种方法来消除这种集聚。然而，这些方法（例如对复合材料施加机械应力）可能会破坏石墨烯-聚合物复合材料的内部结构，导致机械性能较差。除其他问题外，这些方法还往往会破坏石墨烯，导致尺寸变小，从而缺乏石墨烯的出色强度。
通过使用较大的薄片尺寸，您可以避免这种结块问题（因为它们不会像较小的薄片那样自然地结块），并且几乎不需要或不需要可能影响材料整体强度和柔韧性的后处理处理。这就是为什么 LTDF 石墨烯可用于克服制造石墨烯聚合物复合材料时的一些关键挑战。
还有一些聚合物复合材料具有少量的电导率（与其他材料相比较小）。在这些电子聚焦复合材料中添加 LTDF 石墨烯意味着您可以实现更强大的电子性能，同时仍将聚合物的机械性能用于预期应用，例如，在可穿戴技术、柔性传感器或 EMI 中使用导电聚合物复合材料屏蔽应用。
结论
与较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众多。目前许多使用较小石墨烯薄片或石墨烯粉末的方法都是出于经济原因，但这并不一定能产生最佳结果。事实上，它可能会引入薄弱区和变形。要使复合材料（无论是结构复合材料、导热复合材料还是导电复合材料）获得最佳性能结果，需要使用更原始且大于 30 微米的石墨烯薄片。
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What Industries Have an Immediate Need for High Quality Defect-Free Graphene Flakes
LTDF Graphene Flakes Can Significantly Improve Concrete, the World’s Most Popular Building Material
Why does graphene’s incredible tensile strength begin at ~30 microns in lateral flake….?
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