本文向您介绍一项发表于Composites Science and Technology期刊（2020年，第199卷）的重要研究。该研究由Guantao Wang（第一作者，来自中国地质大学（北京）工程学院与北京航空航天大学机械工程及自动化学院）、Yong Wang（共同第一作者，北京航空航天大学）以及通讯作者Sida Luo（北京航空航天大学）领导的团队完成。论文题为“一种面向具有激光诱导石墨化结构多功能复合材料的自转化策略”。
该研究属于先进复合材料、智能材料与纳米材料交叉领域。石墨烯因其卓越的力学、电学、热学和化学性能，在能源、传感、结构增强等方面前景广阔。然而，传统的石墨烯合成方法（如化学气相沉积、氧化还原法）通常步骤复杂、条件苛刻，限制了其在大规模、高性能纤维增强聚合物复合材料中的集成与应用。激光诱导石墨烯技术为石墨烯的制备提供了一种简便、高效且可扩展的新途径，但如何将其直接、高效地用于FRP复合材料的多功能化，仍是一个有待深入探索的领域。
因此，本研究旨在解决一个核心问题：能否不依赖额外的碳前驱体，直接利用复合材料自身作为原料，通过激光加工在其内部或表面原位生成功能化的石墨化结构，从而实现复合材料的多功能化？ 研究者们创新性地提出了“自转化”策略，目标是开发一种新型的激光诱导石墨化结构杂化FRP复合材料，并系统研究其可控制备、结构特性、性能调控及多功能应用潜力。
本研究工作流程清晰，包含制备、表征、性能优化及应用演示四大环节。
第一， LIGC的制备与双路径工艺。 研究团队选用最具代表性的玻璃纤维/环氧树脂预浸料作为原材料。他们创新性地开发了两种激光诱导石墨化结构形成路径： 1. 表面路径： 首先，将两层预浸料铺层并采用真空袋压工艺固化，制成基础复合材料板。随后，使用一台波长为10.6 μm的CO₂激光器，在已固化复合材料板的表面进行激光直写，生成预设图案的LIGS。 2. 内部路径： 首先，在未固化的单层预浸料表面进行激光直写，生成LIGS图案。然后，将另一层未固化的预浸料覆盖其上，一同进行真空袋压固化。这样，石墨化图案被自然嵌入到复合材料层合板内部。 激光加工参数（如功率、扫描速度、扫描次数）作为关键变量进行系统调控，以研究其对最终结构和性能的影响。
第二， LIGC的结构与性能表征。 为了全面解析激光加工后材料的微观结构和化学组成，研究团队运用了多种表征技术： * 形貌与成分分析： 使用扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱仪观察表面形貌并分析元素含量；通过透射电子显微镜在高分辨率下观察刮取下来的LIGS样品，确认石墨烯边缘的存在。 * 结构缺陷与化学态分析： 采用拉曼光谱分析碳材料的缺陷程度、杂化类型和层数信息；利用X射线光电子能谱分析激光处理前后化学键能的变化，证实石墨化过程。 * 电学与力学性能测试： 使用源表通过两点法测量不同激光条件下制备的LIGS图案的方块电阻，评估其导电性。将带有矩形LIGS图案的LIGC样品加工成标准狗骨状试样，在万能试验机上进行拉伸测试，以评估激光处理对复合材料本体力学性能的影响。每个条件至少制备并测试五个样品以保证可重复性。
第三， LIGC的多功能应用演示。 为了展示LIGC的多功能潜力，研究团队设计并实施了六类应用演示实验： 1. 固化监测： 将内部嵌入LIGS图案的复合材料预成型体连接至源表，在真空袋固化过程中，实时监测LIGS电阻随温度和时间的变化，反映树脂流动、浸润和交联的动力学过程。 2. 变形与裂纹传感： 对带有LIGS图案的LIGC样品进行循环拉伸、循环三点弯曲以及拉伸至破坏测试，同步监测电阻变化，评估其对应变和损伤的灵敏度和线性度，计算应变因子。 3. 液体传感： 在不同激光条件下制备的LIGS图案上周期性滴加丙酮，监测电阻响应，评估其对危险化学品的感知能力。 4. 焦耳加热与除冰： 向内部嵌入的LIGS图案施加直流电流，通过热电偶和红外相机监测其焦耳加热性能。演示其在特定输入功率下融化冰块的除冰能力。 5. 防火阻燃： 对比普通复合材料和背面带有LIGS层的LIGC样品在酒精灯火焰下的燃烧行为，记录点燃时间，评估LIGS层的火焰屏蔽效果。 6. 超级电容器： 以表面制备的叉指状LIGS图案作为电极，涂抹聚乙烯醇/磷酸凝胶电解质，组装成平面微型超级电容器。通过循环伏安法和恒电流充放电测试评估其电化学性能，如面积比电容和循环稳定性。
第一， 成功实现了LIGC的双模态可定制化制造。 研究证实，通过选择在固化前或固化后的预浸料上进行激光加工，可以灵活地将石墨化图案嵌入复合材料内部或置于其表面。SEM和TEM图像显示，激光处理后，环氧树脂基体被碳化/石墨化，形成了由球形结构和絮状介质组成的多孔泡沫状混合结构，其中包含少量层石墨烯、无定形碳、熔融的玻璃纤维等。拉曼光谱和XPS分析进一步证实了sp²碳含量的增加和有效的石墨化过程。这种结构被统称为“激光诱导石墨化结构”，以区别于单一的石墨烯。
第二， 通过工艺优化实现了电学与力学性能的协同调控。 系统研究了激光功率和扫描次数对LIGC性能的影响。研究发现，电导率（方块电阻）并非随激光能量输入单调变化。在总能量密度恒定的情况下，采用“多次扫描、较低功率”的策略（如3W功率扫描3次）能获得最佳的电导率（最低方块电阻约0.99 kΩ/sq）。这是因为高单次功率会导致过度烧蚀和氧化，而过多扫描次数则可能因单次能量不足而无法有效触发碳化。拉曼光谱中I_D/I_G比的降低和I_2D/I_G比的升高支持了该工艺下更高质量、缺陷更少的少层石墨烯结构的形成。 力学测试表明，激光处理会不可避免地造成局部基体烧蚀，导致拉伸强度下降。然而，采用“多次扫描”策略可以显著减轻这种强度损失。例如，在总能量密度为10.71 J/cm²时，单次扫描导致强度下降23.8%，而三次扫描仅下降14.3%。更重要的是，当LIGS图案面积仅占试样表面5%时（模拟实际应用中微型化器件的集成），复合材料的拉伸强度几乎未受影响（仅下降约1.58%），同时保持了优化的电导率（0.74 kΩ/sq）。这证明了在最小化机械性能损失的前提下实现功能集成的可行性。
第三， 全面展示了LIGC在多功能应用方面的卓越潜力。 1. 传感方面： 嵌入的LIGS图案能够灵敏地监测树脂固化过程，电阻变化速率与固化温度直接相关。表面或内部的LIGS图案均可作为高灵敏度的应变传感器，在弹性变形区表现出良好的线性（拉伸和弯曲应变因子分别为~1.5和~2.8），并能探测到由微裂纹引发和扩展导致的非线性电阻剧增，实现从健康监测到损伤预警。此外，LIGS的多孔结构使其对丙酮等液体具有良好的敏感性，响应幅值与滴加量和激光加工参数（影响孔隙率）相关。 2. 防御方面： 嵌入的LIGS图案展现出高效的焦耳加热性能，在14.8W功率输入下可达~350°C，并能在7.8W功率下于6分钟内融化冰块，展示了除冰应用的潜力。背面的LIGS层能作为热屏障，将复合材料的点燃时间从4.95秒延长至14.67秒，提高了近三倍，表现出显著的防火阻燃效果。 3. 能量收集方面： 以表面LIGS图案为电极组装的超级电容器表现出典型的双层电容行为。在优化的激光工艺条件下，器件在10 mV/s扫描速率下的面积比电容可达约2.01 mF/cm²，经过2700次循环后电容保持率超过90%，显示出良好的电化学性能和循环稳定性。
本研究成功首创了一种自转化策略，用于制造激光诱导石墨化结构杂化纤维增强聚合物复合材料。该策略的核心价值在于：无需引入外部碳前驱体，直接利用复合材料本体（环氧树脂/玻璃纤维预浸料）作为原料，通过激光加工原位生成功能化的石墨化结构。 双路径工艺（内部嵌入/表面植入）提供了极大的设计和制造灵活性。通过系统的“多次扫描”工艺优化，在获得优异电学性能的同时，将力学性能的退化降至最低。
这项工作的科学价值在于为石墨烯与高性能复合材料的结合提供了一条全新的、高度集成的技术路径，深化了对激光与复合材料相互作用（光热转换、碳化、结构演化）的理解。其应用价值则极为广泛且直接：LIGC作为一种“智能”结构材料，在航空航天、汽车、船舶等领域具有巨大的应用前景，能够实现从制造过程监控（固化监测）、服役期间健康诊断（应变、损伤、液体泄漏感知）到主动防御（除冰、防火）和嵌入式能源管理（储能）的全生命周期多功能化，有望推动下一代多功能复合材料的发展。
研究中还发现，玻璃纤维增强体的存在对于环氧树脂的有效激光诱导石墨化至关重要。纯环氧树脂对10.6 μm激光的透射率较高，难以有效吸收能量并转化为石墨结构。而复合材料中的玻璃纤维能有效促进激光吸收，从而实现了高质量的LIGS转化。这为选择适合激光诱导石墨化的复合材料体系提供了重要依据。此外，研究对比了自转化LIGC与以聚酰亚胺为前驱体制备的LIG在导电性上的差距，并分析了原因（前驱体芳香环含量、混合成分等），体现了研究的客观性和深度。