科學：石墨烯複合材料的路在哪裏

科學：石墨烯複合材料的路在哪裏  

當談到石墨烯時，似乎每個(ge) 人都能趕上兩(liang) 個(ge) 句子，但石墨烯的魔力還不為(wei) 大多數人所熟知，平麵內(nei) 的楊氏模量接近1 tpa。它的碳-碳鍵有相當大的剛度。單層原子的超薄層狀特性使石墨烯在彎曲、扭曲等變形中具有一定的彈性，在已知的材料中，平麵內(nei) 導電率和熱導率最高，但層間性能較差。

碳納米管（CNT）可以看作是一種卷起石墨烯平麵並將平麵內(nei) 的性質轉變為(wei) 軸向的材料，具有最高的軸向強度。因此，與(yu) 石墨烯相似，碳納米管容易彎曲和扭曲。與(yu) 多層石墨烯相似，碳納米管具有單W等嵌套結構。均化碳納米管（SWNT）和多壁碳納米管（MWNT）。它們(men) 的機械性能明顯不同。

碳納米管（CNT）或石墨烯複合材料是近年來的研究熱點，具有廣闊的應用前景，但近二十年來的研究並沒有將碳納米管和石墨烯複合材料大規模應用於(yu) 實際領域。負載轉移、界麵、分散度和粘度仍懸而未決(jue) ，此外，無論是一維碳管還是二維石墨烯材料，都沒有根據其與(yu) 不同基體(ti) 的不同結合性能進行係統的設計和區分。

鑒於(yu) 此，曼徹斯特大學、韓國城關(guan) 大學和美國萊斯大學的科學家發表了一篇科學評論。詳細介紹了高強度、低密度、高導電納米管或石墨烯複合材料的研究現狀，並展望了納米管和石墨烯複合材料的發展方向。圍繞三個(ge) 重要問題，從(cong) 淺到深進行了討論。

此外，係統地描述了碳管或石墨烯複合材料在實際應用和工業(ye) 發展中的瓶頸和可能的解決(jue) 方案，並展望了碳管和石墨烯複合材料的未來應用前景。

一般來說，石墨烯和納米管的局部剛度測量值很高，因為(wei) 它們(men) 的微觀結構幾乎沒有缺陷，但與(yu) 其他基體(ti) 材料結合後，科學家發現了一係列問題。

1）石墨烯和碳納米管以顆粒的形式與(yu) 其它材料複合，其尺寸（石墨烯的橫向尺寸/碳納米管的長度）可達幾百微米，但短纖維的負載轉移能力較弱，當碳納米管或石墨烯分散到準備複合材料。

2）石墨烯和碳納米管表麵光滑，幾乎沒有掛鍵或缺陷點（邊緣除外），導致填料與(yu) 基體(ti) 間的弱相互作用，導致機械變形時界麵載荷傳(chuan) 遞不好，電子和聲子散射大，影響導電性。在工業(ye) 上，這種界麵問題是複合材料發展的主要障礙。目前工業(ye) 上采用化學改性來確定顆粒的尺寸。然而，對於(yu) 納米管和石墨烯，它們(men) 的表麵功能化可能會(hui) 破壞它們(men) 的固有特性。

3）這種改性涉及到第三個(ge) 問題，即碳納米管和石墨烯在基體(ti) 中的非均相分散，如果不經過表麵處理，它們(men) 之間的範德華力使碳納米管或石墨烯容易團聚，導致連接界麵差，一些應力集中點嚴(yan) 重影響。複合材料的非共價(jia) 功能化可以部分解決(jue) 分散問題，但不能有效地解決(jue) 界麵問題。

圖3。碳納米管或石墨烯與(yu) 聚合物基體(ti) 相互作用的四種不同改性效果的示意圖。碳納米管或石墨烯的幾種化學改性方案提高了填料與(yu) 聚合物基體(ti) 的界麵強度。

因此，有必要係統地分析和設計出最佳的碳納米管或石墨烯複合材料，值得一提的是，複合材料的最佳綜合性能取決(jue) 於(yu) 應用領域：一些人希望填料的負載盡可能高，因此他們(men) 追求負載，而另一些人則希望填料的負載達到最大。活性好，所以他們(men) 希望負載低，所需的微觀結構可能是矛盾的。那麽(me) ，你想要最好的還是最好的你真的知道你想要什麽(me) 嗎

圖4。碳納米管或石墨烯納米複合材料的機械性能和導電性TS:熱固聚合物TP:熱塑性聚合物ES:彈性體(ti)

由於(yu) 缺陷的存在，納米複合材料的強度隨著尺寸的增大而降低，這是宏觀納米複合材料強度低的原因之一，研究納米複合材料對基體(ti) 影響的最簡單方法是確定複合材料的力學性能。最常用的方法是測定應力-應變曲線（圖4a）。添加多壁碳納米管（mwcnts）和石墨烯將導致應力-應變曲線的顯著變化。即使碳納米管和石墨烯的用量相對較低，其剛度也會(hui) 顯著增加，因此，通過繪製非線性應力-應變曲線來評估其有效性。例如，在高取向聚合物薄膜中，複合單壁碳納米管的強度可以達到88 gpa。

最後，總結了各種碳納米管和石墨烯在複合材料中的添加情況，並針對六個(ge) 主要特性（強度/剛度、分散性、導電性、能量轉移、界麵和重量），展望了它們(men) 的應用前景，指出了六種碳納米管和石墨烯在複合材料中的重要應用前景。Otubes /石墨烯複合材料（結構應用、多功能複合材料等）、電氣和熱管理材料、吸能複合材料和自增強複合材料，也就是說，對於(yu) 某一特定領域的應用，需要根據具體(ti) 情況開合適的藥物，重點是功能NEE。相應的結構設計。

在碳納米管和石墨烯的連續旋壓、碳納米管和石墨烯可控結構的合成等方麵都取得了很大的進展，這為(wei) 碳納米管和石墨烯獨特的性能轉化為(wei) 各種實際工業(ye) 應用提供了有利的條件。預計經過精心設計和優(you) 化，碳納米管和石墨烯複合材料不僅(jin) 可以取代碳纖維複合材料，成為(wei) 最先進的複合材料，而且還提供了刺激響應、儲(chu) 能轉換元件、實時結構狀態監測、傳(chuan) 感和複合材料減振等新功能。奧斯特

最後，如果能解決(jue) 上述科技問題，碳納米管和石墨烯的豐(feng) 富儲(chu) 量和相對較低的成本將保證其複合材料的成功。

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