科學：石墨烯復合材料的路在哪里

科學：石墨烯復合材料的路在哪里  

當談到石墨烯時，似乎每個人都能趕上兩個句子，但石墨烯的魔力還不為大多數(shù)人所熟知，平面內的楊氏模量接近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，平面內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面并將平面內的性質轉變?yōu)檩S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等嵌套結構。均化碳納米管（SWNT）和多壁碳納米管（MWNT）。它們的機械性能明顯不同。

碳納米管（CNT）或石墨烯復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并沒有將碳納米管和石墨烯復合材料大規(guī)模應用于實際領域。負載轉移、界面、分散度和粘度仍懸而未決，此外，無論是一維碳管還是二維石墨烯材料，都沒有根據(jù)其與不同基體的不同結合性能進行系統(tǒng)的設計和區(qū)分。

鑒于此，曼徹斯特大學、韓國城關大學和美國萊斯大學的科學家發(fā)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復合材料的研究現(xiàn)狀，并展望了納米管和石墨烯復合材料的發(fā)展方向。圍繞三個重要問題，從淺到深進行了討論。

此外，系統(tǒng)地描述了碳管或石墨烯復合材料在實際應用和工業(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，因為它們的微觀結構幾乎沒有缺陷，但與其他基體材料結合后，科學家發(fā)現(xiàn)了一系列問題。

1）石墨烯和碳納米管以顆粒的形式與其它材料復合，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復合材料。

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

3）這種改性涉及到第三個問題，即碳納米管和石墨烯在基體中的非均相分散，如果不經過表面處理，它們之間的范德華力使碳納米管或石墨烯容易團聚，導致連接界面差，一些應力集中點嚴重影響。復合材料的非共價功能化可以部分解決分散問題，但不能有效地解決界面問題。

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改性方案提高了填料與聚合物基體的界面強度。

因此，有必要系統(tǒng)地分析和設計出最佳的碳納米管或石墨烯復合材料，值得一提的是，復合材料的最佳綜合性能取決于應用領域：一些人希望填料的負載盡可能高，因此他們追求負載，而另一些人則希望填料的負載達到最大。活性好，所以他們希望負載低，所需的微觀結構可能是矛盾的。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

由于缺陷的存在，納米復合材料的強度隨著尺寸的增大而降低，這是宏觀納米復合材料強度低的原因之一，研究納米復合材料對基體影響的最簡單方法是確定復合材料的力學性能。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，其剛度也會顯著增加，因此，通過繪制非線性應力-應變曲線來評估其有效性。例如，在高取向聚合物薄膜中，復合單壁碳納米管的強度可以達到88 gpa。

最后，總結了各種碳納米管和石墨烯在復合材料中的添加情況，并針對六個主要特性（強度/剛度、分散性、導電性、能量轉移、界面和重量），展望了它們的應用前景，指出了六種碳納米管和石墨烯在復合材料中的重要應用前景。Otubes /石墨烯復合材料（結構應用、多功能復合材料等）、電氣和熱管理材料、吸能復合材料和自增強復合材料，也就是說，對于某一特定領域的應用，需要根據(jù)具體情況開合適的藥物，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(xù)旋壓、碳納米管和石墨烯可控結構的合成等方面都取得了很大的進展，這為碳納米管和石墨烯獨特的性能轉化為各種實際工業(yè)應用提供了有利的條件。預計經過精心設計和優(yōu)化，碳納米管和石墨烯復合材料不僅可以取代碳纖維復合材料，成為最先進的復合材料，而且還提供了刺激響應、儲能轉換元件、實時結構狀態(tài)監(jiān)測、傳感和復合材料減振等新功能。奧斯特

最后，如果能解決上述科技問題，碳納米管和石墨烯的豐富儲量和相對較低的成本將保證其復合材料的成功。

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