主要内容

    由于石墨烯具有非凡的物理性能，如电导率，热导率，机械强度和阻隔性能，因此填充石墨烯的聚合物复合材料受到了极大关注。石墨烯取向以及聚合物和石墨烯等填料颗粒之间的相互作用都可能导致界面缺陷而对复合材料性能产生负面影响。例如，与随机取向的样品相比，石墨烯薄片（取向对齐）复合材料的杨氏模量几乎可以加倍，该类具有高度对齐石墨烯薄片的复合材料显示出优异电磁干扰屏蔽功能与气体/液体屏障效果。由于石墨烯的构象和分散难以控制，如何在聚合物复合材料中发挥石墨烯的优异物理性能，制备出均匀一致的石墨烯聚合物复合材料是一项重大挑战。

    剪切处理填充有碳纳米管（CNT）和炭黑（CB）的聚合物会破坏聚合物复合材料内的导电网络，而在剪切停止时进行随后的导电恢复过程。同样，在注塑成型之后，聚碳酸酯复合材料中的石墨对齐，随后石墨定向性减弱而导电性增强。因此，直接监测石墨烯复合材料的电学性能对理解石墨烯结构和复合材料性能在变形下如何变化具有重要意义。

    英国杜伦大学Karl S. Coleman等人制备了石墨烯聚合物复合材料，观察到不同剪切速率下阻抗的显着变化；并将阻抗变化与纳米石墨烯（GNPs）结构、方向和分散的演变联系起来，揭示了GNPs形态结构对复合材料性能的影响机制，即低剪切速率≤0.1s-1可抑制石墨烯复合材料中典型的GNP团聚，将GNP部分剥落成片层石墨烯，GNP取向降低，电导率增强，而在更高的剪切速率下，石墨烯填充的网状结构被破坏，GNP取向增强，电导率降低四个数量级；在剪切力去除并且工艺温度保持不变的情况下，复合材料的导电率进一步变化，说明其结构在继续演变。以上工作为理解和控制复合材料中GNP的取向和分散提供了重要的见解，并且将对工业制备石墨烯聚合物复合材料的设计优化和工艺选择产生重要影响。

    图文赏析

    图1.复合材料中GNP结构的处理效果图：最初复合材料形成网络凝聚结构。在低剪切力（1）下，可分解GNP团聚并剥离石墨烯，形成更有效的网络，增强导电性。在更高的剪切速率（2）下，导电率随着GNP对齐度的增加而降低。在退火过程中，对齐的GNP开始松弛，增加了电导率（3），但随着更多的退火，GNP将重新聚集成离散的GNP团聚体，从而降低电导率（4）。最终发生了GNP的二次聚集，形成了一个连接网络，并再次提高了电导率（5）。

    图2.流变阻抗器件的流程图：（a）环形电极作为底板，提供可控剪切速率；（b）良好的GNP网络结构具有低阻抗。（c）对齐的GNP产生高阻抗。

    图3.聚苯乙烯+ 5 vol％GNP：（a）在0.01-3s-1的剪切速率下不同图1步骤的阻抗变化；（b）剪切期间阻抗相位角变化。

    图4.在200℃退火过程中聚苯乙烯+ 5 vol％GNP的（a）阻抗变化和（b）停止剪切后阻抗相位角φ作为先前的剪切速率的函数。（a）和（b）均按图1中的步骤突出了不同的处理阶段。

    图5.在200℃（1）0.3s-1剪切-（2）退火-（3）0.01s-1剪切-（4）退火的循环处理过程中聚苯乙烯+ 5 vol％GNP的阻抗| Z |变化。

    图6. 200℃下聚苯乙烯+ 5vol％GNPs复合材料的小角度X射线散射图（SAXS）：在0.01s-1剪切和70s 0.3s-1剪切之后的二维散射图案。 散射图中的各向异性显示复合材料中GNP的排列，其随着剪切增加而增强。绘制散射强度作为方位角0.002-0.0035 ??1内的的函数。由二维散射图案计算出的0.01s-1剪切后的样品（蓝色）和0.3s-1剪切后的样品（红色）。0度表示探测器图像上的3点钟位置，并且角度沿顺时针方向增加，在这些剪切速率之间，取向因子从0.27增加到0.47。

    图7.在200℃剪切下，由聚苯乙烯+ 5vol％GNP复合材料SAXS计算出的取向因子：（a）0.01s-1速率剪切而随后退火过程的GNP取向因子；（b）剪切速率为0.3 s-1（红色圆点表示）和1.8 s-1（蓝色菱形表示）的取向因子和阻抗变化。

    参考文献：

    Chem. Mater.2018, 30, 1524?1531.