环氧树脂由于具有良好的力学性能、粘结能力、化学稳定性、易加工性以及价格低廉等优点，广泛应用于绝缘材料、结构材料、涂料及胶黏剂等领域。但环氧树脂质脆、韧性不足等缺点，制约了其进一步发展和应用。因此，如何对环氧树脂进行增韧改性是科学家们近年来努力的方向。近日，北京航空航天大学的程群峰教授团队从“砖-泥”式的珍珠层结构获得启发，制备了石墨烯-环氧树脂层状仿生纳米复合材料，所得到的纳米复合材料的断裂韧性是纯环氧树脂断裂韧性的3.6倍，并基于材料各向异性导电性，实现了对材料中裂纹的实时监测。
环氧树脂，作为一种常用的热固型聚合物，在航空、电子、结构粘合剂、涂料、金属涂层等领域有着广泛的应用。高度交联的环氧树脂展示出高的强度和刚性，良好的化学稳定性和热稳定性，但却韧性不足。对于航空材料而言，低的韧性使得材料易发生裂纹、缺陷甚至断裂，而这有可能会产生灾难性的后果。因此人们使用各种纳米纳米填料，以提高环氧树脂的断裂韧性。常用的纳米填料包括二氧化钛、碳纳米管、纳米粘土以及氧化石墨烯等。虽然这些纳米填料能够一定程度上提高环氧树脂的韧性，但却无法避免过程中出现的团聚等问题。比如二氧化钛颗粒严重的团聚现象会影响对材料韧性的提升;而以裂纹桥联为增韧机制的碳纳米管，虽能够阻止裂纹生长，但同样面临团聚问题的困扰;纳米粘土本身和环氧树脂的不相容性，导致其不是环氧树脂纳米填料的最佳选择。近年来热门的石墨烯材料，由于和环氧树脂之间的相互作用较弱，使得其增韧效果并不理想。
从上述问题可以看出，解决纳米填料在复合材料中的团聚问题，是提高断裂韧性的关键。此外，制备具有自我修复或者自我监测功能的复合材料，也是新型功能化材料的研究趋势，构建了反鲍鱼壳结构石墨烯-环氧树脂纳米复合材料(材料中含有~99%的有机环氧树脂，故而称之为反鲍鱼壳结构石墨烯-环氧树脂纳米复合材料)。一方面使得材料的韧性提高到环氧树脂的3.6倍;另一方面利用材料自身的导电特性，实现了对结构裂纹的监测。
通过冷冻技术制备的反鲍鱼壳结构石墨烯-环氧树脂纳米复合材料，利用裂纹偏转、桥联和滑动摩擦力等增韧机制，显著提高了材料的断裂韧性。并且利用材料电阻值的变化，实现了对结构中裂纹的实时监测，帮助人们及时了解材料结构的变化，降低风险和成本，提高了纳米复合材料的使用安全性。
来源：CellPress细胞科学、高分子科技
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