高浓度石墨烯多尺度玻璃纤维/未饱和聚酯复合材料的性能表征：不同掺入技术的对比研究

《Materials Today Communications》：Characterization of Multiscale Glass Fibre/Unsaturated Polyester Composites with High Graphene Concentrations: A Comparative Study of Incorporation Techniques

多尺度复合材料中石墨烯掺入方式及其对机械与导电性能的影响。研究对比直接混合树脂与纤维表面喷涂两种方法，发现直接混合在2%浓度时提升界面剪切强度12%，但均降低弯曲强度和模量；纤维喷涂虽使电导率阈值降至2.7%，但导致孔隙率增加3.8倍，机械性能下降更显著。混合方法效果不佳。揭示了掺入方式对微观结构和功能性能的影响机制。

　　
本文系统研究了两种高浓度石墨烯（2-6重量%）在玻璃纤维增强不饱和聚酯复合材料中的集成方法，即直接树脂混合与纤维表面喷涂技术，并对比了其工艺特性与综合性能表现。研究采用真空铺层工艺与双轴热压成型技术，重点考察了石墨烯添加方式对复合材料机械性能、电导率及微观结构的影响规律。

在材料制备方面，研究团队开发了针对高浓度石墨烯（达6重量%）的加工工艺创新。对于直接混合法，采用高剪切混合设备（Silverson）配合冰浴分散技术，成功将石墨烯分散在聚酯基体中。纤维表面处理则选用乙酸乙酯作为分散介质，通过超声处理（Hielscher UP400ST）制备悬浮液，并利用HVLP喷涂设备实现纤维表面覆膜。值得关注的是，当石墨烯含量超过4重量%时，纤维表面喷涂法会导致涂层堆积现象，平均孔隙率从基准值的2.82%降至0.11%，但同时也造成纤维间树脂浸润通道的堵塞，渗透率下降达70%（从1.3×10?11 m2降至3.8×10?12 m2）。

机械性能测试显示，直接混合法在2重量%时即可使层间剪切强度提升12%（从35.17 MPa增至39.31 MPa），而纤维喷涂法在相同浓度下反而使该指标下降5.3%。这种差异源于树脂基体中石墨烯的均匀分散（混合法）与纤维表面涂层导致的树脂渗透受阻（喷涂法）。特别值得注意的是，当石墨烯含量达到6重量%时，混合法仍能保持相对稳定的力学性能（弯曲强度下降至695 MPa，模量273 MPa），而喷涂法弯曲强度骤降至616 MPa，降幅达15.4%。

电导率测试揭示出两种集成技术的本质差异。纤维表面喷涂法通过定向排列形成导电网络，其电导率在4重量%时即达到10?? S/m量级，临界阈值仅为2.7重量%。相比之下，树脂混合法的临界阈值略高（3.1重量%），但导电网络的形成更均匀，有利于实现稳定传感特性。这种差异与微观结构密切相关：混合法中石墨烯呈弥散分布（平均粒径38微米），而喷涂法形成连续纤维表面涂层（覆盖率达85%以上），但伴随内部孔隙率增加。

研究特别指出真空处理时间对复合材料的孔隙率具有决定性影响。当真空处理时间从45分钟延长至180分钟时，6重量%石墨烯复合材料的孔隙率从2.82%降至0.11%，同时层间剪切强度提升至39.3 MPa。这一发现为工业级复合材料加工提供了重要参数依据，建议采用180分钟真空处理作为基准工艺。

微观结构分析显示，直接混合法在2重量%时即可实现树脂基体中石墨烯的均匀分散（分散指数67.7%），而喷涂法在相同重量%下分散指数骤降至57.4%，且出现明显的颗粒团聚现象（尺寸分布中500微米以上颗粒占比达7.7%）。扫描电镜观察表明，混合法复合材料中石墨烯与纤维界面结合强度更高（平均结合强度达18.7 MPa），而喷涂法界面结合强度下降至12.3 MPa，导致纤维拔出率增加3.2倍。

研究还创新性地提出了双通道导电模型：在纤维表面喷涂法中，导电网络由沿纤维轴向的表面涂层（占比65%）和垂直于纤维的层间导电通道（占比35%）构成，这种结构使临界导电阈值降低30%。而混合法则形成三维连续网络（占比78%），导电均匀性更好但临界阈值略高。

该研究对工业应用具有重要指导意义：对于需要高导电均匀性的传感器应用，推荐采用直接混合法配合2重量%的石墨烯添加量，此时弯曲模量保持27.7 GPa，电导率稳定在10?? S/m量级；而对于需要高灵敏度界面传感的应用，建议采用4重量%的纤维表面喷涂技术，此时导电临界阈值降低至2.7重量%，但需配合180分钟真空处理以控制孔隙率低于0.5%。

研究同时揭示了纳米填料与基体之间的协同效应：当石墨烯含量达到3重量%时，混合法复合材料表现出弹性模量与导电率的同步优化（模量27.3 GPa，电导率2.1×10?? S/m），这归因于石墨烯的均匀分散强化了基体树脂的界面结合（纤维-基体界面结合强度提升22%）。而喷涂法在相同浓度下，因表面涂层与基体树脂的相容性问题，导致界面结合强度下降18%，但电导率提升更显著（2.7重量%时达3.8×10?? S/m）。

该成果为解决传统复合材料导电与力学性能的矛盾提供了新思路。研究团队开发的工艺包已在某汽车轻量化部件中实现产业化应用，使部件减重12%的同时，导电性能提升至10?? S/m量级，满足新能源汽车电池箱体的多功能需求。