萊斯大學(xué)的科學(xué)家已經(jīng)為電子應(yīng)用制造了一種更好的環(huán)氧樹(shù)脂。

在化學(xué)家James Tour的Rice實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的環(huán)氧樹(shù)脂與“超級(jí)”石墨烯泡沫材料相結(jié)合，比純環(huán)氧樹(shù)脂堅(jiān)固很多，比其他環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料導(dǎo)電性能更好，同時(shí)保持了材料的低密度。通過(guò)添加導(dǎo)電填料，可以改善目前使用中會(huì)削弱材料結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹(shù)脂。

美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志期刊ACS Nano詳細(xì)介紹了這種新材料。

環(huán)氧樹(shù)脂本身是絕緣體，通常用于涂料、粘合劑、電子、工業(yè)工具和結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中。通常添加金屬或碳填料用于需要導(dǎo)電性的應(yīng)用，如電磁屏蔽應(yīng)用。

但需要權(quán)衡的是：更多的填充物以重量和抗壓強(qiáng)度為代價(jià)帶來(lái)更好的導(dǎo)電性，而復(fù)合材料變得更難加工。

萊斯（Rice）實(shí)驗(yàn)室的解決方案用一種由納米級(jí)石墨烯制成的三維泡沫取代金屬或碳粉，石墨烯是只有一個(gè)碳原子厚度厚度的碳薄片。

Tour實(shí)驗(yàn)室與萊斯大學(xué)的材料科學(xué)家PulickelAjayan、RouzbehShahsavari，北京航空航天大學(xué)的婁軍和肇 研合作，從環(huán)氧樹(shù)脂注入三維支架的項(xiàng)目中汲取靈感，包括石墨烯氣凝膠，泡沫和各種工藝的支架。

新方案技術(shù)用聚丙烯腈（PAN）制成更強(qiáng)的支架，聚丙烯腈是一種粉末狀聚合物樹(shù)脂，用作碳源，與鎳粉混合。在四步過(guò)程中，他們冷壓材料使其致密，在爐子中加熱使PAN變成石墨烯，化學(xué)處理所得材料以去除鎳，并使用真空將環(huán)氧樹(shù)脂拉入現(xiàn)有多孔材料中。

“石墨烯泡沫是單層石墨烯，”Tour說(shuō)。 “因此，實(shí)際上，整個(gè)泡沫是一個(gè)大分子。當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂滲透泡沫然后硬化時(shí)，由于嵌入的石墨烯支架，環(huán)氧樹(shù)脂在一個(gè)位置中的任何彎曲都會(huì)在其他位置處對(duì)整料施加應(yīng)力。這最終會(huì)使整個(gè)結(jié)構(gòu)變硬。”

據(jù)研究人員稱(chēng)，這種泡沫含量為32%的球形復(fù)合材料密度略高，但電導(dǎo)率約為每厘米14西門(mén)子(電導(dǎo)率或反向歐姆的衡量標(biāo)準(zhǔn))。泡沫不會(huì)增加化合物的重量，但使其抗壓強(qiáng)度是純環(huán)氧樹(shù)脂的7倍。

石墨烯和環(huán)氧樹(shù)脂之間的簡(jiǎn)單互鎖也有助于穩(wěn)定石墨烯的結(jié)構(gòu)。Tour說(shuō)： “當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂滲透石墨烯泡沫然后硬化時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂被捕獲在石墨烯泡沫的微米大小的區(qū)域。”

實(shí)驗(yàn)室通過(guò)將多壁碳納米管混合到石墨烯泡沫中來(lái)提高賭注。研究人員稱(chēng)，納米管充當(dāng)與石墨烯結(jié)合的增強(qiáng)材料，使復(fù)合材料的硬度比純環(huán)氧樹(shù)脂高出1732％，導(dǎo)電性能提高近三倍，約為41西門(mén)子(Siemens)/厘米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于迄今報(bào)道的幾乎所有基于支架的環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。

Tour預(yù)計(jì)該工藝流程將針對(duì)工業(yè)規(guī)模進(jìn)行擴(kuò)展。 “人們只需要一個(gè)足夠大的爐子來(lái)生產(chǎn)最終的部件，”他說(shuō)。 “但一直都是這樣的，通過(guò)冷壓，然后加熱來(lái)制造大型金屬零件。”

他說(shuō)，這種材料最初可能會(huì)取代碳復(fù)合樹(shù)脂，這種碳復(fù)合樹(shù)脂用于預(yù)浸漬和加固從航空航天結(jié)構(gòu)到網(wǎng)球拍等材料中的織物。