液态金属@氧化石墨烯协同增韧聚苯并噁嗪复合涂层的多性能优化研究

为解决聚苯并噁嗪（PBZ）树脂固有脆性导致的性能局限，研究人员通过液态金属（LM）与氧化石墨烯（GO）自组装复合粒子（LM@GO）的协同增韧策略，显著提升材料力学性能。实验表明，添加3% LM@GO的复合材料冲击韧性和弯曲强度分别达纯树脂的208%和194%，热稳定性（800°C残炭率提升至45.4%）及涂层性能（硬度6H、附着力5B、耐腐蚀性提升两个数量级）全面优化。该研究为高性能热固性树脂在电子散热与防腐领域的应用提供了新思路。

　　

研究背景与意义
聚苯并噁嗪（Polybenzoxazine, PBZ）作为一种新型热固性树脂，因其优异的机械性能、耐腐蚀性和热稳定性，在电子工业、航空航天等领域备受青睐。然而，其固有的脆性成为限制其广泛应用的关键瓶颈。传统增韧方法如橡胶共混或热塑性改性虽有一定效果，但往往以牺牲耐热性或强度为代价。与此同时，纳米粒子增强策略虽能兼顾性能，却面临分散不均、工艺复杂等问题。如何通过简单高效的方法实现PBZ的多性能协同提升，成为材料科学领域的迫切需求。

研究设计与技术方法
山西某高校团队在《Progress in Organic Coatings》发表的研究中，创新性地利用液态金属（Liquid Metal, LM）与氧化石墨烯（Graphene Oxide, GO）的电荷差异，通过自组装技术构建LM@GO复合粒子，并将其引入PBZ树脂体系。研究采用扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDS）表征粒子形貌，通过调控LM与GO体积比（1:2至2:1）优化结构，最终通过熔融共混法制备复合材料，系统测试其力学、热学及耐腐蚀性能。

研究结果

1. LM@GO结构调控
   SEM显示，当LM:GO=1:1时，LM球体被GO片层均匀包裹，形成稳定的核壳结构（图1c）。EDS证实Ga元素（来自LM）与C/O元素（来自GO）的共定位，验证了自组装效果。

2. 力学性能突破
   添加3% LM@GO的PBZ复合材料冲击韧性达纯树脂的208%，弯曲强度提升至194%。LM通过变形吸能抑制裂纹扩展，GO则通过界面滑移增强能量耗散，二者协同作用显著提升韧性。

3. 热稳定性与功能特性
   800°C残炭率从26.8%跃升至45.4%，导热系数提升至纯树脂的121%（0.23 W/(m·K)）。涂层硬度达6H（铅笔硬度），附着力5B，腐蚀阻抗（R_C
   ）从1.4×10⁴
   Ω增至3.4×10⁶
   Ω，耐蚀性提升两个数量级。

结论与展望
该研究通过LM@GO的自组装策略，成功解决了LM在热固性树脂中分散不均的难题，实现了PBZ树脂力学、热学及防腐性能的协同优化。其意义在于：

1. 方法论创新：无需复杂表面修饰或苛刻反应条件，为纳米复合材料制备提供普适性方案；
2. 应用拓展：高性能涂层在电子散热（如CPU封装）和海洋防腐等领域具产业化潜力；
3. 机制启示：仿生“脆-韧”层状结构设计（如类似珍珠层的LM-GO界面）为其他脆性材料增韧提供参考。

未来研究可进一步探索LM@GO在其他热固性树脂（如环氧树脂）中的普适性，并优化规模化生产工艺。