談到石墨烯，貌似誰(shuí)都能搭上兩句，然而石墨烯的神奇之處到底在哪里，似乎并不為大多數(shù)人所熟知。石墨烯在面內(nèi)的楊氏模量接近1 TPa，其碳碳鍵具有相當(dāng)?shù)膭偠?，且單原子超薄層狀特性使得其在彎曲、扭曲和其它形變中表現(xiàn)出良好的柔性。在已知材料中，其面內(nèi)電導(dǎo)和熱導(dǎo)率是最高的，但層間的各項(xiàng)性能就不那么好了。

碳納米管可以看做將石墨烯平面卷起，將平面內(nèi)性質(zhì)轉(zhuǎn)化為軸向的一種材料，其軸向強(qiáng)度是最高的。因此與石墨烯類(lèi)似，碳納米管也易于進(jìn)行彎曲、扭曲等形變。與多層石墨烯類(lèi)似，碳納米管也有單壁碳納米管(SWNT)和多壁碳納米管(MWNTs)]等嵌套結(jié)構(gòu)，其機(jī)械性能等有顯著區(qū)別。

圖1. 碳納米復(fù)合材料及其性能一覽

作為所謂的“萬(wàn)金油”，碳納米管或石墨烯復(fù)合材料是近年來(lái)研究熱點(diǎn)中的熱點(diǎn)，應(yīng)用前景令人期待。然而，近二十年的研究并沒(méi)有讓碳納米管和石墨烯復(fù)合材料大規(guī)模進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域，載荷轉(zhuǎn)移、界面、分散性和粘度等問(wèn)題依然懸而未決。此外，對(duì)于一維碳管和二維石墨烯這兩種不同結(jié)構(gòu)的材料，也沒(méi)有文獻(xiàn)系統(tǒng)地根據(jù)其與各種基質(zhì)不同的結(jié)合特性加以預(yù)先設(shè)計(jì)并選擇區(qū)分。

有鑒于此，來(lái)自英國(guó)曼徹斯特大學(xué)、韓國(guó)成均館大學(xué)和美國(guó)萊斯大學(xué)的科學(xué)家們?cè)赟cience發(fā)表綜述，詳細(xì)介紹了高強(qiáng)度、低密度、高導(dǎo)電性納米管或石墨烯復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀，展望了納米管和石墨烯復(fù)合材料的發(fā)展方向，并圍繞著三個(gè)重要問(wèn)題，由淺及深展開(kāi)探討：

1. 碳納米管和石墨烯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的獨(dú)特之處何在。

2. 為何碳納米管和石墨烯復(fù)合材料歷經(jīng)多年研究探索后并無(wú)實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

3. 怎樣才能使它們?cè)趶?fù)合材料中更好地起到增強(qiáng)作用。

此外，文章還系統(tǒng)闡述了碳管或石墨烯復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中面臨的瓶頸與可能的解決方法，以及對(duì)碳管和石墨烯復(fù)合材料未來(lái)應(yīng)用的展望。

圖2.碳管/石墨烯纖維在復(fù)合材料中的結(jié)構(gòu)示意圖及相應(yīng)材料楊氏模量-抗拉伸強(qiáng)度對(duì)比

通常來(lái)說(shuō)，由于石墨烯和納米管的微觀結(jié)構(gòu)幾乎不存在缺陷，其測(cè)量得到的局部剛度非常高。但當(dāng)與其他基質(zhì)材料復(fù)合時(shí)，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)了一系列問(wèn)題。

1）石墨烯和碳納米管都是以微粒的形式與其他材料復(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。而這種短纖維載荷轉(zhuǎn)移能力較弱，在用碳納米管或石墨烯分散制備復(fù)合材料時(shí)此問(wèn)題較為突出。

2）石墨烯和碳納米管的表面平滑，幾乎不存在懸掛鍵或缺陷位點(diǎn)(邊緣除外)，導(dǎo)致填料-基質(zhì)界面相互作用力不強(qiáng)，使得在機(jī)械變形過(guò)程中界面載荷的傳遞差，電子和聲子的散射度高，影響了導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。在工業(yè)上，此類(lèi)界面問(wèn)題是復(fù)合材料的主要障礙，目前工業(yè)上通過(guò)化學(xué)改性來(lái)指定顆粒的尺寸，但是對(duì)于納米管和石墨烯來(lái)說(shuō)，對(duì)其表面官能化可能損害它們的固有性質(zhì)。

3）這種改性就涉及第三個(gè)問(wèn)題，也就是在基質(zhì)中碳納米管和石墨烯分散不均勻。若不經(jīng)表面處理，它們之間的范德華力使得碳納米管或石墨烯容易團(tuán)聚，生成連接性較差的界面和一些應(yīng)力集中的位點(diǎn)，嚴(yán)重影響復(fù)合性能。非共價(jià)官能化方法可部分解決分散問(wèn)題，但對(duì)于解決界面問(wèn)題是無(wú)效的。

圖3.碳納米管或石墨烯與聚合物基質(zhì)相互作用的四種不同修飾作用示意圖。幾種碳納米管或石墨烯的化學(xué)改性方案提高了填料與聚合物基體之間的界面強(qiáng)度。

因此，需要用系統(tǒng)的方法分析設(shè)計(jì)最佳的碳納米管或石墨烯復(fù)合材料。值得一提的是，對(duì)于復(fù)合材料整體何為最佳取決于應(yīng)用領(lǐng)域：有人希望填料負(fù)載量盡可能高，因而追求負(fù)載量，而有人希望導(dǎo)電性好，從而希望負(fù)載量低，所需的微觀結(jié)構(gòu)可能是矛盾的。所以，你要最好的，還是最合適的？你真的知道你要的是什么嗎？

圖4.碳納米管或石墨烯納米復(fù)合材料的力學(xué)性質(zhì)和導(dǎo)電性示意圖? TS：熱固性聚合物? TP：熱塑性聚合物? ES：彈性體

由于存在缺陷，納米復(fù)合材料的強(qiáng)度隨著其尺寸的增加而下降，這是宏觀納米復(fù)合材料強(qiáng)度不高的原因之一。研究納米粒子對(duì)基質(zhì)的影響的最簡(jiǎn)單的方法是測(cè)定復(fù)合材料的力學(xué)性能，最常用的方法是通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)(圖4A)判斷。多壁碳納米管和石墨烯的加入會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)發(fā)生重大變化，即使加入的量相對(duì)較低，剛度也會(huì)大幅度增加。因此通過(guò)繪制具有非線(xiàn)性應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)來(lái)評(píng)價(jià)其有效性。例如，在高度定向聚合物薄膜中，復(fù)合單壁碳納米管后的強(qiáng)度可達(dá)到88 GPa。

圖5.碳納米管-環(huán)氧樹(shù)脂界面的AFM表征

小結(jié)與展望

最后，文章總結(jié)了各種碳納米管和石墨烯在復(fù)合材料中的添加情況，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，對(duì)應(yīng)于六種主要特性（強(qiáng)度/剛度、分散度、電導(dǎo)率、能量傳遞、界面和重量），指出了六種碳納米管/石墨烯復(fù)合材料的重要應(yīng)用前景（結(jié)構(gòu)應(yīng)用、多功能復(fù)合材料、電、熱管理材料、能量吸收復(fù)合材料和自強(qiáng)化復(fù)合材料）。

也就是說(shuō)，對(duì)于特定領(lǐng)域的應(yīng)用，需對(duì)癥下藥，著重所需要的功能進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

利用碳納米管和石墨烯連續(xù)紡絲，以及合成各種可控的碳納米管和石墨烯結(jié)構(gòu)都取得了很大的進(jìn)展。這將為碳納米管和石墨烯的獨(dú)特性能向各種實(shí)際工業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)化提供有利條件?？梢灶A(yù)見(jiàn)，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)合材料成為目前最先進(jìn)的復(fù)合材料，還能提供新的功能，如刺激反應(yīng)、作為儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)換元件、作為復(fù)合材料實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、傳感和振動(dòng)阻尼等。

最后，若能解決以上科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題，碳納米管和石墨烯豐富的儲(chǔ)量以及相對(duì)較低的成本將保證其復(fù)合材料取得成功。

參考文獻(xiàn)：

Kinloch, Ian A., Jonghwan Suhr, Jun Lou, Robert J.Young, and Pulickel M. Ajayan. “Composites with Carbon Nanotubes and Graphene:An Outlook.” Science 362, no. 6414 (November 1, 2018): 547–553. doi:10.1126/science.aat7439.

http://science.sciencemag.org/content/362/6414/547

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