科學：石墨烯（xī）複合材料的路在（zài）哪裏

科學：石墨（mò）烯複合材（cái）料的路在哪裏  

當談到石墨（mò）烯時，似乎每個人都（dōu）能趕（gǎn）上兩（liǎng）個句子，但石墨烯的魔力還不為大（dà）多（duō）數人所熟知，平（píng）麵內的楊氏模量接近1 tpa。它的碳（tàn）-碳鍵有相當大的剛度。單層原子的超薄層狀特性使石墨（mò）烯在彎曲、扭曲（qǔ）等變形（xíng）中（zhōng）具有一定的彈性，在已知的材料（liào）中，平麵內導（dǎo）電率和熱導（dǎo）率（lǜ）最高，但層間性能較差。

碳納米管（CNT）可以看作是一種卷起（qǐ）石墨烯平麵並將平麵內的性質轉變為（wéi）軸向的材料，具有最高的軸向強度。因此，與石墨烯相似，碳納米管容易（yì）彎曲和扭曲。與多層石（shí）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）。它們的機械性（xìng）能明（míng）顯（xiǎn）不同。

碳納米管（CNT）或石墨烯複（fù）合材料是近年來（lái）的研究熱點，具（jù）有廣闊的應用前景，但近二（èr）十（shí）年來（lái）的研究並（bìng）沒有將碳納米管（guǎn）和（hé）石墨烯複合材料大（dà）規模應用於實際領域。負載轉移（yí）、界麵、分（fèn）散度和粘度仍懸而未決，此（cǐ）外，無論是一維碳管還是（shì）二（èr）維石墨烯材料，都沒有根據其與不同基體的不同結合性能進行係統的設計和區分。

鑒於（yú）此，曼徹斯特大學、韓國（guó）城關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（zhǎn）望了納米管和石（shí）墨烯複合材料的（de）發展方向（xiàng）。圍繞三個重要問題，從淺到深進行了討論。

此外，係（xì）統地描述了碳管或石墨烯複合材（cái）料在實際（jì）應用（yòng）和工業發展中的瓶頸和可能的解（jiě）決方案，並展望了碳管和石（shí）墨烯複合材（cái）料的未來應用前景（jǐng）。

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

1）石墨烯和碳納米（mǐ）管以顆粒的形式與其它材料複（fù）合，其尺寸（cùn）（石墨烯（xī）的橫（héng）向尺寸/碳納米管的長度）可達幾百（bǎi）微米（mǐ），但短纖維的負載轉移能力較弱，當碳納米管或石（shí）墨烯分散到準備複合材（cái）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（yuán）除外（wài）），導致填料與基體間的（de）弱相互作用，導致機械變形時界麵載荷傳遞不好，電子和聲（shēng）子散射大（dà），影響導電性。在（zài）工業上，這種界（jiè）麵（miàn）問題是複合（hé）材料發展（zhǎn）的主要障礙。目前工業上采用化學改性來確定顆粒的尺寸。然而，對於納米（mǐ）管和石墨烯，它們（men）的表麵功能化可能會（huì）破（pò）壞它們的固有特性。

3）這種改性涉及到第三個問題，即碳納（nà）米管和石墨烯在基體中的非均相分散，如果不經過表麵處理，它們之間的範德（dé）華力使碳納米（mǐ）管或石墨（mò）烯容易團聚，導致連接界麵差，一些應力集中點嚴重影響。複（fù）合材料的非共價功能化可以部分（fèn）解決分散問題，但不能有（yǒu）效（xiào）地解決界麵問題（tí）。

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

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

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

由（yóu）於缺陷的存在，納米複（fù）合材料的強度隨（suí）著尺（chǐ）寸的增大而降低，這是宏觀納米複合材料強度低的原（yuán）因之一，研究納米複合材料對基體影響的最簡單方法是確定複合材料（liào）的力學性能。最常用的方法是測定應力-應變（biàn）曲線（圖4a）。添（tiān）加多壁碳納米管（mwcnts）和石墨烯將導致應力-應（yīng）變曲線（xiàn）的顯（xiǎn）著變化。即使碳納米管和石墨烯的用量（liàng）相對較低（dī），其剛度也（yě）會顯著增加，因此，通過繪製非線性（xìng）應力-應變曲線（xiàn）來評估其有效性。例如，在（zài）高取向聚合物薄膜中，複合單壁碳納米管的（de）強度可以達到88 gpa。

最後，總（zǒng）結了（le）各種碳（tàn）納米管和石墨烯在複合材料中（zhōng）的添（tiān）加（jiā）情況，並針（zhēn）對六個主要特性（強度/剛度、分散性、導電性、能量轉移、界麵和重量），展望了它（tā）們的（de）應用前景，指出了六種（zhǒng）碳納米管和石墨烯在（zài）複合材料（liào）中的重（chóng）要應用（yòng）前景。Otubes /石墨烯複合材料（結構應用（yòng）、多功能複合材料等（děng））、電氣和熱管理材料、吸能複合材料和自增強複合（hé）材料，也就是說，對於某一（yī）特定領（lǐng）域的應用，需要根（gēn）據具體情況開合適的藥（yào）物，重點是功能NEE。相應（yīng）的結構（gòu）設計（jì）。

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（zhè）為碳納米管和（hé）石墨烯獨特的性能轉化為（wéi）各種實際工業應用提供了有利的條件。預計經（jīng）過精（jīng）心設計和優化，碳納米管和石墨烯複（fù）合材料（liào）不僅可以取代碳纖維複合材料，成（chéng）為最先（xiān）進的複合材料，而且還（hái）提供了刺（cì）激（jī）響應、儲能轉換元件、實時結構狀態監測、傳感和複合材料減振等新功能。奧斯特

最（zuì）後，如果能解決上述（shù）科技問題，碳納米管和石墨（mò）烯的豐（fēng）富儲量和相對（duì）較低的成本將保證其複合材料的成功（gōng）。

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