科學(xué)：石墨烯復(fù)合材料的路在哪里

科學(xué)：石墨烯復(fù)合材料的路在哪里  

當(dāng)談到石墨烯時(shí)，似乎每個(gè)人都能趕上兩個(gè)句子，但石墨烯的魔力還不為大多數(shù)人所熟知，平面內(nèi)的楊氏模量接近1 tpa。它的碳-碳鍵有相當(dāng)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，平面內(nèi)導(dǎo)電率和熱導(dǎo)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面并將平面內(nèi)的性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向的材料，具有最高的軸向強(qiáng)度。因此，與石墨烯相似，碳納米管容易彎曲和扭曲。與多層石墨烯相似，碳納米管具有單W等嵌套結(jié)構(gòu)。均化碳納米管（SWNT）和多壁碳納米管（MWNT）。它們的機(jī)械性能明顯不同。

碳納米管（CNT）或石墨烯復(fù)合材料是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，但近二十年來(lái)的研究并沒(méi)有將碳納米管和石墨烯復(fù)合材料大規(guī)模應(yīng)用于實(shí)際領(lǐng)域。負(fù)載轉(zhuǎn)移、界面、分散度和粘度仍懸而未決，此外，無(wú)論是一維碳管還是二維石墨烯材料，都沒(méi)有根據(jù)其與不同基體的不同結(jié)合性能進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和區(qū)分。

鑒于此，曼徹斯特大學(xué)、韓國(guó)城關(guān)大學(xué)和美國(guó)萊斯大學(xué)的科學(xué)家發(fā)表了一篇科學(xué)評(píng)論。詳細(xì)介紹了高強(qiáng)度、低密度、高導(dǎo)電納米管或石墨烯復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀，并展望了納米管和石墨烯復(fù)合材料的發(fā)展方向。圍繞三個(gè)重要問(wèn)題，從淺到深進(jìn)行了討論。

此外，系統(tǒng)地描述了碳管或石墨烯復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用和工業(yè)發(fā)展中的瓶頸和可能的解決方案，并展望了碳管和石墨烯復(fù)合材料的未來(lái)應(yīng)用前景。

一般來(lái)說(shuō)，石墨烯和納米管的局部剛度測(cè)量值很高，因?yàn)樗鼈兊奈⒂^結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有缺陷，但與其他基體材料結(jié)合后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一系列問(wèn)題。

1）石墨烯和碳納米管以顆粒的形式與其它材料復(fù)合，其尺寸（石墨烯的橫向尺寸/碳納米管的長(zhǎng)度）可達(dá)幾百微米，但短纖維的負(fù)載轉(zhuǎn)移能力較弱，當(dāng)碳納米管或石墨烯分散到準(zhǔn)備復(fù)合材料。

2）石墨烯和碳納米管表面光滑，幾乎沒(méi)有掛鍵或缺陷點(diǎn)（邊緣除外），導(dǎo)致填料與基體間的弱相互作用，導(dǎo)致機(jī)械變形時(shí)界面載荷傳遞不好，電子和聲子散射大，影響導(dǎo)電性。在工業(yè)上，這種界面問(wèn)題是復(fù)合材料發(fā)展的主要障礙。目前工業(yè)上采用化學(xué)改性來(lái)確定顆粒的尺寸。然而，對(duì)于納米管和石墨烯，它們的表面功能化可能會(huì)破壞它們的固有特性。

3）這種改性涉及到第三個(gè)問(wèn)題，即碳納米管和石墨烯在基體中的非均相分散，如果不經(jīng)過(guò)表面處理，它們之間的范德華力使碳納米管或石墨烯容易團(tuán)聚，導(dǎo)致連接界面差，一些應(yīng)力集中點(diǎn)嚴(yán)重影響。復(fù)合材料的非共價(jià)功能化可以部分解決分散問(wèn)題，但不能有效地解決界面問(wèn)題。

圖3。碳納米管或石墨烯與聚合物基體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(xué)改性方案提高了填料與聚合物基體的界面強(qiáng)度。

因此，有必要系統(tǒng)地分析和設(shè)計(jì)出最佳的碳納米管或石墨烯復(fù)合材料，值得一提的是，復(fù)合材料的最佳綜合性能取決于應(yīng)用領(lǐng)域：一些人希望填料的負(fù)載盡可能高，因此他們追求負(fù)載，而另一些人則希望填料的負(fù)載達(dá)到最大。活性好，所以他們希望負(fù)載低，所需的微觀結(jié)構(gòu)可能是矛盾的。那么，你想要最好的還是最好的你真的知道你想要什么嗎

圖4。碳納米管或石墨烯納米復(fù)合材料的機(jī)械性能和導(dǎo)電性TS:熱固聚合物TP:熱塑性聚合物ES:彈性體

由于缺陷的存在，納米復(fù)合材料的強(qiáng)度隨著尺寸的增大而降低，這是宏觀納米復(fù)合材料強(qiáng)度低的原因之一，研究納米復(fù)合材料對(duì)基體影響的最簡(jiǎn)單方法是確定復(fù)合材料的力學(xué)性能。最常用的方法是測(cè)定應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖4a）。添加多壁碳納米管（mwcnts）和石墨烯將導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線的顯著變化。即使碳納米管和石墨烯的用量相對(duì)較低，其剛度也會(huì)顯著增加，因此，通過(guò)繪制非線性應(yīng)力-應(yīng)變曲線來(lái)評(píng)估其有效性。例如，在高取向聚合物薄膜中，復(fù)合單壁碳納米管的強(qiáng)度可以達(dá)到88 gpa。

最后，總結(jié)了各種碳納米管和石墨烯在復(fù)合材料中的添加情況，并針對(duì)六個(gè)主要特性（強(qiáng)度/剛度、分散性、導(dǎo)電性、能量轉(zhuǎn)移、界面和重量），展望了它們的應(yīng)用前景，指出了六種碳納米管和石墨烯在復(fù)合材料中的重要應(yīng)用前景。Otubes /石墨烯復(fù)合材料（結(jié)構(gòu)應(yīng)用、多功能復(fù)合材料等）、電氣和熱管理材料、吸能復(fù)合材料和自增強(qiáng)復(fù)合材料，也就是說(shuō)，對(duì)于某一特定領(lǐng)域的應(yīng)用，需要根據(jù)具體情況開合適的藥物，重點(diǎn)是功能NEE。相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

在碳納米管和石墨烯的連續(xù)旋壓、碳納米管和石墨烯可控結(jié)構(gòu)的合成等方面都取得了很大的進(jìn)展，這為碳納米管和石墨烯獨(dú)特的性能轉(zhuǎn)化為各種實(shí)際工業(yè)應(yīng)用提供了有利的條件。預(yù)計(jì)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)和優(yōu)化，碳納米管和石墨烯復(fù)合材料不僅可以取代碳纖維復(fù)合材料，成為最先進(jìn)的復(fù)合材料，而且還提供了刺激響應(yīng)、儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換元件、實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、傳感和復(fù)合材料減振等新功能。奧斯特

最后，如果能解決上述科技問(wèn)題，碳納米管和石墨烯的豐富儲(chǔ)量和相對(duì)較低的成本將保證其復(fù)合材料的成功。

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