青島榮耀橡塑新材料有限公司
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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，似乎并不為大多數人所熟知。石墨烯在面內的楊氏模量接近1 TPa，其碳碳鍵具有相當的剛度，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出良好的柔性。在已知材料中，其面內電導和熱導率是最高的，但層間的各項性能就不那么好了。
碳納米管可以看做將石墨烯平面卷起，將平面內性質(zhì)轉化為軸向的一種材料，其軸向強度是最高的。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)]等嵌套結構，其機械性能等有顯著(zhù)區別。
作為所謂的“萬(wàn)金油”，碳納米管或石墨烯復合材料是近年來(lái)研究熱點(diǎn)中的熱點(diǎn)，應用前景令人期待。然而，近二十年的研究并沒(méi)有讓碳納米管和石墨烯復合材料大規模進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域，載荷轉移、界面、分散性和粘度等問(wèn)題依然懸而未決。此外，對于一維碳管和二維石墨烯這兩種不同結構的材料，也沒(méi)有文獻系統地根據其與各種基質(zhì)不同的結合特性加以預先設計并選擇區分。
有鑒于此，來(lái)自英國曼徹斯特大學(xué)、韓國成均館大學(xué)和美國萊斯大學(xué)的科學(xué)家們在Science發(fā)表綜述，詳細介紹了高強度、低密度、高導電性納米管或石墨烯復合材料的研究現狀，展望了納米管和石墨烯復合材料的發(fā)展方向，并圍繞著(zhù)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合材料結構的獨特之處何在。
2. 為何碳納米管和石墨烯復合材料歷經(jīng)多年研究探索后并無(wú)實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。
3. 怎樣才能使它們在復合材料中更好地起到增強作用。
此外，文章還系統闡述了碳管或石墨烯復合材料在實(shí)際應用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中面臨的瓶頸與可能的解決方法，以及對碳管和石墨烯復合材料未來(lái)應用的展望。
圖2.碳管/石墨烯纖維在復合材料中的結構示意圖及相應材料楊氏模量-抗拉伸強度對比
通常來(lái)說(shuō)，由于石墨烯和納米管的微觀(guān)結構幾乎不存在缺陷，其測量得到的局部剛度非常高。但當與其他基質(zhì)材料復合時(shí)，科學(xué)家們就發(fā)現了一系列問(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合，其尺寸(石墨烯的橫向尺寸/碳納米管的長(cháng)度)可達幾百微米。而這種短纖維載荷轉移能力較弱，在用碳納米管或石墨烯分散制備復合材料時(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)，導致填料-基質(zhì)界面相互作用力不強，使得在機械變形過(guò)程中界面載荷的傳遞差，電子和聲子的散射度高，影響了導電性和導熱性。在工業(yè)上，此類(lèi)界面問(wèn)題是復合材料的主要障礙，目前工業(yè)上通過(guò)化學(xué)改性來(lái)指定顆粒的尺寸，但是對于納米管和石墨烯來(lái)說(shuō)，對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聚，生成連接性較差的界面和一些應力集中的位點(diǎn)，嚴重影響復合性能。非共價(jià)官能化方法可部分解決分散問(wèn)題，但對于解決界面問(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度。
因此，需要用系統的方法分析設計最佳的碳納米管或石墨烯復合材料。值得一提的是，對于復合材料整體何為最佳取決于應用領(lǐng)域：有人希望填料負載量盡可能高，因而追求負載量，而有人希望導電性好，從而希望負載量低，所需的微觀(guān)結構可能是矛盾的。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合材料的力學(xué)性質(zhì)和導電性示意圖 TS：熱固性聚合物 TP：熱塑性聚合物 ES：彈性體
由于存在缺陷，納米復合材料的強度隨著(zhù)其尺寸的增加而下降，這是宏觀(guān)納米復合材料強度不高的原因之一。研究納米粒子對基質(zhì)的影響的最簡(jiǎn)單的方法是測定復合材料的力學(xué)性能，最常用的方法是通過(guò)應力-應變曲線(xiàn)(圖4A)判斷。多壁碳納米管和石墨烯的加入會(huì )導致應力-應變曲線(xiàn)發(fā)生重大變化，即使加入的量相對較低，剛度也會(huì )大幅度增加。因此通過(guò)繪制具有非線(xiàn)性應力應變曲線(xiàn)來(lái)評價(jià)其有效性。例如，在高度定向聚合物薄膜中，復合單壁碳納米管后的強度可達到88 GPa。
小結與展望
最后，文章總結了各種碳納米管和石墨烯在復合材料中的添加情況，并對其應用前景進(jìn)行了展望，對應于六種主要特性（強度/剛度、分散度、電導率、能量傳遞、界面和重量），指出了六種碳納米管/石墨烯復合材料的重要應用前景（結構應用、多功能復合材料、電、熱管理材料、能量吸收復合材料和自強化復合材料）。
也就是說(shuō)，對于特定領(lǐng)域的應用，需對癥下藥，著(zhù)重所需要的功能進(jìn)行相應的結構設計。
利用碳納米管和石墨烯連續紡絲，以及合成各種可控的碳納米管和石墨烯結構都取得了很大的進(jìn)展。這將為碳納米管和石墨烯的獨特性能向各種實(shí)際工業(yè)應用轉化提供有利條件?？梢灶A見(jiàn)，經(jīng)過(guò)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目前最先進(jìn)的復合材料，還能提供新的功能，如刺激反應、作為儲能和轉換元件、作為復合材料實(shí)時(shí)結構狀態(tài)監測、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量以及相對較低的成本將保證其復合材料取得成功。
