[论文解读] Multifunctional epoxy nanocomposites reinforced by two-dimensional materials: A review

Ming Dong, Han Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2021

Conducting polymers and applications参考文献 212被引用 12

一句话总结

本综述探讨了将二维（2D）材料（如石墨烯、氮化硼和过渡金属二硫属化合物）引入环氧纳米复合材料，以提升其多功能性能，包括机械强度、热稳定性、电导率和阻隔性能。作者系统分析了制备技术、界面工程及结构-性能关系，表明在低填充量下，2D填料可实现多种性能指标的协同增强。

ABSTRACT

Epoxy resins are thermosetting polymers with an extensive set of applications such as anticorrosive coatings, adhesives, matrices for fibre reinforced composites and elements of electronic systems for automotive, aerospace and construction industries.

研究动机与目标

• 全面分析二维（2D）材料在提升环氧纳米复合材料多功能性能中的作用。
• 识别2D增强环氧体系在分散性、界面结合力和可扩展性方面面临的关键挑战。
• 评估不同2D填料在力学、热学、电学和阻隔性能方面的性能提升。
• 对制备方法和界面工程策略进行批判性评估，以实现最优增强效果。
• 通过突出有前景的2D材料和实际应用中未解决的技术障碍，为未来研究提供指导。

提出的方法

• 对2010年至2021年间关于2D材料在环氧基体中应用的近期研究进行系统性文献综述。
• 根据类型对2D材料进行分类：石墨烯、六方氮化硼、过渡金属二硫属化合物和MXene。
• 分析包括溶液混合、超声处理和原位聚合在内的加工技术，以实现均匀分散。
• 评估界面改性策略，如表面功能化以及共价/非共价键合，以提高填料-基体的结合力。
• 利用结构-性能关联模型，建立填料形貌、填充量与性能结果之间的联系。
• 整合来自力学测试、热重分析、动态机械分析和电导率测量的数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同2D材料（如石墨烯、h-BN、MoS₂）如何影响环氧纳米复合材料的力学和热学性能？
• RQ2 2D增强环氧体系中电导率和热导率提升的主要机制是什么？
• RQ3 界面相互作用和表面功能化在填料分散性和载荷传递效率方面的影响程度如何？
• RQ4 多功能性能提升与加工复杂性或成本之间的关键权衡是什么？
• RQ5 2D-环氧纳米复合材料在工业应用中可扩展性和长期稳定性方面当前存在哪些限制？

主要发现

• 石墨烯和氮化硼纳米片可显著提升环氧复合材料的拉伸强度和热稳定性，在1–2 wt%填充量下，拉伸强度最高可提高40%。
• 六方氮化硼（h-BN）表现出优异的热导率（高达30 W/mK）和电绝缘性，使其成为电子封装应用的理想选择。
• 基于MXene的环氧复合材料在低填料含量（<5 wt%）下表现出高电导率（高达100 S/m）和优异的电磁屏蔽效能（>40 dB）。
• 2D填料的表面功能化可增强界面结合力，减少界面脱粘，提高载荷传递效率。
• 通过超声处理和表面活性剂辅助加工实现的最优分散，可获得均匀的填料分布，并最大化性能提升。
• 将2D填料与其他纳米材料（如二氧化硅、碳纳米管）结合，可产生协同效应，进一步增强多功能性能。