石墨烯可为玻璃纤维提供许多新功能——可用于汽车复材部件或航空除冰系统

瑞典Grafren AB公司目前正在开发玻璃纤维石墨烯涂层，该涂层可用于多种用途，比如以获得更轻的产品，比如提供EMI屏蔽，并提高电气、热和机械性能等。

与碳纤维相比，玻璃纤维在广泛的选择中提供更低的成本，从用于航空航天应用的高质量树脂注入层压板到用于热塑性塑料和注塑的短纤维。碳纤维和玻璃纤维都有各自的缺点。碳纤维价格昂贵，限制了它们只应用于高档产品。它们也很脆，当施加相当低的冲击能量时可能会破裂。玻璃纤维具有较低的机械特性，较重，对温度敏感，不带电。

Grafren AB团队成功地采用了一种基于石墨烯薄片直接涂覆玻璃纤维的方法来改善玻璃纤维的性能。传统的石墨烯涂料或粘合剂涂层方法不适用于玻璃纤维。石墨烯和玻璃纤维必须在纳米水平上整合，在纤维表面组装和排列石墨烯薄片。而该团队以一种独特的方式使用石墨烯薄片覆盖玻璃纤维。由此产生的涂层类似于蛇皮，纤维表面排列着许多薄片，彼此重叠。此前，该团队已经使用相同的方法成功地演示了轻质柔软的电子纺织品——导电织物的制造。

石墨烯涂层玻璃纤维vs玻璃纤维

该公司研究团队通过涂层20多种类型、尺寸和编织几何形状的玻璃纤维，精确控制涂层均匀性和导电性，验证了这种方法。通过改变每根纤维上薄片涂层的厚度，可精确地调整玻璃纤维织物的薄片电阻，从1 MOhm/sq到10 Ohm/sq均可。

不同涂层厚度和不同导电性的石墨烯镀膜玻璃纤维

可控制的导电性为玻璃纤维增加了令人兴奋的功能。例如，涂有石墨烯的独立玻璃纤维层可以用作复合材料部件内部的电线。当应用到车辆上时，这种材料可以传输低电流信号，降低车辆的总重量，并消除了沉重而昂贵的铜线的使用。该公司表示，石墨烯是一个完美的选择，因为复合材料的机械强度不会受到影响。

其次，石墨烯涂层的玻璃纤维可以屏蔽电磁干扰(EMI)，这是一种保护设备或人类不受外部电磁信号影响的屏障。据观察，在1 MHz-40 GHz频率内可控制的EMI屏蔽效率可达60 dB。该功能可能适用于电动汽车的电池盒，由于成本较低，玻璃纤维优于碳纤维。此外，目前金属箱的重量在90公斤至160公斤之间，使其成为电动汽车最重的部分，而石墨烯基复合材料可以将重量减轻30%至40%。

石墨烯导电性赋予玻璃纤维的另一个重要功能是焦耳加热——由于电流通过而产生热量。这可以应用于电动汽车或飞机的内部加热，以及空中交通工具的除冰功能。

虽然大型和民用飞机拥有相当先进的除冰系统，但小型飞机和无人机在冰冻条件下运行往往具有挑战性。该公司表示，此次研究的集成石墨烯涂层玻璃纤维，可作为小型飞行器复合结构顶层。

杂化复合材料中热辐射石墨烯镀膜玻璃纤维层的热成像。 室温为18°C;在施加12 V/0.1 A的电力时，已经观察到清晰而均匀的热量

此外，根据Grafren公司的测试，石墨烯涂层后，玻璃纤维的导热性提高了约100倍。这种功能对于某些应用是非常可取的，例如发动机和电机，在这些应用中，必须通过复合材料结构有效地去除多余的热量。石墨烯的导热性将热量传播到环境中。这是一个极其重要的功能，特别是与EMI屏蔽相结合时。

裸露的玻璃纤维在1500°C的燃气燃烧器点火下熔化6秒后，而石墨烯涂层的玻璃纤维能够承受120秒。简单地说，一个覆盖着石墨烯涂层玻璃纤维的电池盒可以让着火的电动汽车上的乘客多出20倍的时间离开汽车——因此，存活的几率也更高。

最后但并非最不重要的是，玻璃纤维石墨烯涂层对机械性能有积极的影响:复合材料的抗冲击性提高了200%。这可能会使玻璃纤维用于冲击能量阻尼的产品重量减半。

此文由中国复合材料工业协会翻译，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。