本文研究了从煤炭衍生的闪蒸石墨（Flash Graphene, FG）作为环氧树脂复合材料添加剂的高负载应用。创新点包括：使用闪蒸焦热（Flash Joule Heating, FJH）方法从冶金焦中快速合成FG，实现了20%至50%的超高负载量，显著提高了复合材料的机械性能，如杨氏模量提高92%，硬度增加140%，压缩强度和最大应变分别提高145%和61%，韧性提高496%。此外，该技术通过使用低成本原料和无溶剂过程，大幅降低了FG的生产成本，有望在工业规模上使用FG，同时减少了温室气体排放、水消耗和能源消耗，展现了对环境友好的潜力。

二、研究背景

本篇文献的研究背景主要包括以下几点：

（1）环氧树脂复合材料在工业领域的广泛应用，尤其在高性能结构部件中的使用，需要通过增强填料来提高其机械性能和耐久性。

（2）传统的增强材料如碳纤维和玻璃纤维虽然能提高复合材料的性能，但存在成本高、加工复杂等问题。

（3）石墨烯作为一种新型的纳米增强剂，因其优异的物理化学性能被认为是增强复合材料的理想选择，但石墨烯的高成本和生产效率低下限制了其在工业规模应用的可能性。

（4）煤炭作为一种丰富的碳源，如果能高效、环保地转化为高质量的石墨烯，将为复合材料的增强提供一种经济可行的解决方案。

（5）本研究旨在通过从煤炭中衍生出的闪蒸石墨烯（Flash Graphene），利用其在环氧树脂中的超高负载能力，来显著提升复合材料的机械性能，并探索该技术在环境友好性和成本效益方面的潜力。

三、研究方法

本篇文献采用了多种研究方法来制备和评估从煤炭衍生的闪蒸石墨（Flash Graphene, FG）作为环氧树脂复合材料添加剂的性能，主要方法包括：

（1）闪蒸焦热合成（Flash Joule Heating, FJH）：使用FJH技术从冶金焦中快速合成FG，通过变化脉冲电压和频率来控制FG的产量和质量。

（2）球磨：将合成的FG与钢球以一定比例混合，进行球磨处理以改善FG的分散性和表面特性。

（3）复合材料的制备：通过将FG、环氧树脂（DGEBA）和固化剂（15-二氨基-2-甲基戊烷）混合，使用磁力搅拌和高剪切混合技术，确保FG在环氧树脂中均匀分散。

（4）固化处理：混合物经过真空脱气处理后，在70°C下固化2小时，然后在室温下进一步固化以形成最终的复合材料。

（5）材料表征：使用拉曼光谱学、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、热重分析（TGA）、纳米压痕（Nanoindentation）、压缩测试和拉伸测试等技术对FG和FG增强的环氧树脂复合材料的结构、形态和性能进行详细表征。

（6）机械性能测试：通过压缩和拉伸测试评估复合材料的机械性能，包括杨氏模量、硬度、最大压缩强度和最大应变等指标。

（7）透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）：用于观察FG的微观结构和复合材料断面的微观形貌。

（8）粘度测量：通过流变学测试评估FG/环氧树脂混合物的粘度，以了解其加工性能。

这些方法的综合应用，不仅确保了从煤炭衍生的FG在环氧树脂中的高效分散和优异的增强效果，而且还提供了一种低成本、高效能的途径来制备高性能的环氧树脂复合材料。

四、研究结果和主要结论

本篇文献的研究结果和主要结论包括：

（1）制备成功：通过简单的一锅法过程，涉及剪切混合和机械搅拌，成功制备了由冶金焦衍生的闪蒸石墨（MCFG）和DGEBA环氧树脂制成的复合材料。MCFG的高吸收率使得在矩阵材料中可以替换20%到50%的环氧树脂。

（2）机械性能提升：添加MCFG作为增强添加剂，可以显著提升材料的机械性能。在最优条件下，杨氏模量、硬度、最大压缩强度和最大应变分别增加了92%、140%、145%和61%。同时，韧性提升了496%。

（3）成本和环境效益：由于MCFG的生产成本低，通过FJH技术可以快速、低成本地从低价材料如冶金焦中生产MCFG，没有使用溶剂或水。这一点使得MCFG在复合材料中的高负载使用前景看好。在1:1的MCFG:DGEBA比率下，温室气体排放、水消耗和能源消耗分别减少了33%、47%和34%。

（4）增强填料和环保应用：这项技术可能导致FG作为增强添加剂和填料在环氧复合材料应用中的增加使用，因为材料的性能提高以及MCFG相比纯环氧树脂更低的能源消耗、水消耗和温室气体排放。此技术还为煤炭及其衍生材料提供了一种环境友好的替代应用，因为其年度消耗预计将下降。

总的来说，这项研究成功展示了通过简单有效的方法制备高性能环氧树脂复合材料的可能性，同时在成本、环境效益方面展现了巨大的潜力。

五、后续研究改进

文献中没有直接提到后续研究改进的部分。不过，基于研究内容和结果，可以提出一些可能的后续研究方向：

（1）进一步优化FG的生产过程：虽然已经通过闪蒸焦热（FJH）技术成功从冶金焦中高效合成了FG，但仍可探索更多优化策略，例如调整加热温度、持续时间和电流强度，以进一步提高FG的质量和产量。

（2）扩展到其他基材：本研究主要关注FG在环氧树脂中的应用，后续研究可以探索FG在其他聚合物基材中的应用，例如聚丙烯、聚碳酸酯或聚乙烯，以评估其增强效果是否具有普遍性。

（3）研究FG的分散技术：虽然已通过球磨和机械搅拌实现了FG在环氧树脂中的分散，但进一步研究更高效的分散技术，如超声波处理或化学改性，可能会提高复合材料的均匀性和性能。

（4）环境影响评估：本研究指出FG的生产和应用能够减少温室气体排放、水消耗和能源消耗，后续研究可以进行更全面的生命周期评估，包括原料采集、生产、应用和最终处置的环境影响。

（5）机械性能的深入研究：尽管已经评估了FG增强环氧树脂复合材料的基本机械性能，但更深入的研究，如疲劳测试、长期稳定性和老化性能，对于实际应用来说至关重要。

（6）探索新的应用领域：基于FG增强的环氧树脂复合材料在机械性能上的显著提高，可以探索其在更广泛领域的应用，如航空航天、汽车制造、建筑材料和高性能电子设备。

这些潜在的后续研究方向将有助于进一步推动FG在复合材料领域的应用，同时也可能为环境保护和资源节约提供新的解决方案。