Графен, двумерный материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, в последние годы привлек к себе большое внимание благодаря своим исключительным механическим и электрическим свойствам. Большая площадь поверхности, высокая теплопроводность и прочность делают его привлекательным материалом для широкого спектра применений. Одним из наиболее перспективных применений графена является область композитных материалов, где он может быть использован для улучшения механических свойств различных материалов.
Композиты на основе графена создаются путем добавления графена в матричный материал, такой как полимеры, металлы или керамика. Добавление даже небольшого количества графена может значительно улучшить механические свойства композитного материала. Высокая прочность и жесткость графена делают его эффективным армирующим материалом, улучшая прочность композита на растяжение, модуль упругости и вязкость разрушения. Кроме того, высокая теплопроводность графена позволяет улучшить тепловые свойства композитного материала, что делает его полезным в приложениях, требующих высокой термической стабильности.
Одним из наиболее распространенных методов получения композитов на основе графена является смешивание графена с полимерной матрицей. Графен может быть добавлен в полимерную матрицу в различных формах, включая порошок, хлопья и листы. Процесс смешивания может осуществляться путем смешивания растворов, расплавов или полимеризации in situ. Во всех случаях целью является создание равномерной дисперсии графена в полимерной матрице для обеспечения оптимальных характеристик.
Исследования показали, что добавление графена в полимерные матрицы может значительно улучшить их механические свойства. Например, прочность на разрыв полиуретановых композитов может быть увеличена на 44% при добавлении всего 0,5% графена. Аналогично, модуль Юнга полистирольных композитов может быть увеличен на 83% при добавлении 1% графена. Эти улучшения объясняются сильным взаимодействием между графеном и полимерной матрицей, что приводит к усилению передачи нагрузки и улучшению межфазного сцепления.
Помимо полимерных композитов, графен может быть использован для улучшения механических свойств металлических и керамических матриц. В металлических матрицах графен может улучшить прочность и пластичность материала. Например, прочность на разрыв алюминиевых композитов может быть увеличена на 30% при добавлении всего 0,1% графена. В керамических матрицах графен может улучшить вязкость разрушения и износостойкость материала. Например, вязкость разрушения алюминиевых композитов может быть увеличена на 38% при добавлении 1% графена.
Композиты на основе графена способны произвести революцию в широком спектре отраслей промышленности, включая аэрокосмическую, автомобильную и электронную. Использование графена может привести к созданию более легких и прочных материалов, что может привести к значительной экономии энергии и снижению воздействия на окружающую среду. Кроме того, тепловые свойства композитов на основе графена делают их полезными в высокотемпературных приложениях, например, в реактивных двигателях или в электронике, требующей высокой термической стабильности.
Композиты на основе графена представляют собой новый интересный класс материалов, способных значительно улучшить механические свойства широкого спектра материалов. Добавление графена в полимерные, металлические или керамические матрицы может привести к улучшению прочности на разрыв, модуля упругости, вязкости разрушения и термической стабильности. По мере продолжения исследований в этой области можно ожидать более широкого применения композитов на основе графена в различных отраслях промышленности.