談到石墨(mo)烯(xi)，貌(mao)似誰都能(neng)搭上兩句，然而(er)石墨(mo)烯(xi)的(de)神(shen)奇之處到底(di)在(zai)(zai)哪里，似乎并不為大多數人(ren)所熟知。石墨(mo)烯(xi)在(zai)(zai)面內(nei)的(de)楊氏(shi)模(mo)量接近1 TPa，其碳(tan)碳(tan)鍵具有相當(dang)的(de)剛度，且單原子超薄層狀特性(xing)使得其在(zai)(zai)彎曲(qu)、扭曲(qu)和(he)其它形變中(zhong)表現(xian)出(chu)良好的(de)柔性(xing)。在(zai)(zai)已知材料中(zhong)，其面內(nei)電導和(he)熱導率是(shi)最高(gao)的(de)，但層間(jian)的(de)各項(xiang)性(xing)能(neng)就不那(nei)么好了。

碳(tan)(tan)納(na)(na)米管(guan)可以看做將(jiang)石墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)平面卷起，將(jiang)平面內性質轉化為軸向的一(yi)種材料(liao)，其軸向強度是(shi)最高的。因此與石墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)類似，碳(tan)(tan)納(na)(na)米管(guan)也(ye)易于進(jin)行彎曲(qu)、扭曲(qu)等(deng)(deng)形變。與多(duo)層石墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)類似，碳(tan)(tan)納(na)(na)米管(guan)也(ye)有(you)單壁(bi)碳(tan)(tan)納(na)(na)米管(guan)(SWNT)和多(duo)壁(bi)碳(tan)(tan)納(na)(na)米管(guan)(MWNTs)]等(deng)(deng)嵌套結構，其機械(xie)性能(neng)等(deng)(deng)有(you)顯著區別。

圖1. 碳納米復合材料及其性能一覽

作為所(suo)謂(wei)的(de)“萬金油”，碳納(na)米管(guan)或(huo)石(shi)墨烯(xi)復(fu)合材(cai)料(liao)是近(jin)年來(lai)研究熱點中(zhong)的(de)熱點，應用(yong)前(qian)景令人期待。然而(er)，近(jin)二(er)十年的(de)研究并沒有(you)讓(rang)碳納(na)米管(guan)和(he)(he)石(shi)墨烯(xi)復(fu)合材(cai)料(liao)大(da)規模進(jin)入實用(yong)領域，載(zai)荷轉移、界(jie)面(mian)、分散(san)性和(he)(he)粘(zhan)度等(deng)問題依然懸而(er)未決。此外，對于一維(wei)碳管(guan)和(he)(he)二(er)維(wei)石(shi)墨烯(xi)這(zhe)兩種不(bu)同結(jie)構的(de)材(cai)料(liao)，也沒有(you)文獻(xian)系統地根據其(qi)與各種基質不(bu)同的(de)結(jie)合特性加以預先設計并選擇(ze)區分。

有鑒(jian)于此，來自英國曼徹(che)斯特(te)大學、韓國成均館大學和美國萊斯大學的科學家們在Science發表綜述，詳細介紹了(le)(le)高(gao)強度、低密(mi)度、高(gao)導電性納(na)米管或石墨烯復合材料(liao)的研究現狀(zhuang)，展望了(le)(le)納(na)米管和石墨烯復合材料(liao)的發展方向，并(bing)圍繞(rao)著三個重(zhong)要(yao)問(wen)題，由淺及深展開探討：

1. 碳納米管和石墨烯復(fu)合材料結構(gou)的獨(du)特之(zhi)處何在。

2. 為何碳(tan)納米管和石(shi)墨烯復合材料歷經多年研究(jiu)探索(suo)后并無實(shi)質(zhi)性進展。

3. 怎樣才(cai)能使它們在復合材料中更(geng)好地起到(dao)增強作(zuo)用。

此外，文(wen)章(zhang)還系統闡述了碳管或(huo)石墨(mo)烯復合材料(liao)(liao)在(zai)實際應(ying)用和產業化發(fa)展中面臨的(de)(de)瓶頸與可能(neng)的(de)(de)解(jie)決方法，以及(ji)對碳管和石墨(mo)烯復合材料(liao)(liao)未來應(ying)用的(de)(de)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

通常來說，由于石墨(mo)烯和(he)納米管的(de)微觀結構幾乎(hu)不存(cun)在缺陷，其(qi)(qi)測量得到的(de)局部剛度非常高。但當與其(qi)(qi)他基質材料復(fu)合(he)時，科學家們就發現了(le)一系列問題。

1）石墨烯(xi)和碳(tan)納米(mi)管都(dou)是以微粒的(de)形式與其(qi)(qi)他(ta)材(cai)料復合(he)，其(qi)(qi)尺寸(石墨烯(xi)的(de)橫向(xiang)尺寸/碳(tan)納米(mi)管的(de)長(chang)度)可達幾百微米(mi)。而這種短纖(xian)維(wei)載荷轉移能力較(jiao)弱，在用(yong)碳(tan)納米(mi)管或石墨烯(xi)分散制備(bei)復合(he)材(cai)料時此問題(ti)較(jiao)為突出。

2）石墨烯(xi)和(he)碳納米(mi)管的(de)(de)(de)(de)表面(mian)平滑，幾(ji)乎(hu)不存在懸掛鍵(jian)或缺陷(xian)位(wei)點(dian)(邊緣除(chu)外)，導致填料-基(ji)質界(jie)面(mian)相互(hu)作用力(li)不強，使得在機械變(bian)形過程中界(jie)面(mian)載荷的(de)(de)(de)(de)傳遞差(cha)，電子(zi)和(he)聲子(zi)的(de)(de)(de)(de)散(san)射度高，影響了導電性和(he)導熱性。在工業(ye)上，此(ci)類界(jie)面(mian)問題是復合材料的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要障礙，目前工業(ye)上通過化學(xue)改性來(lai)指定顆粒(li)的(de)(de)(de)(de)尺寸，但是對于納米(mi)管和(he)石墨烯(xi)來(lai)說，對其(qi)表面(mian)官(guan)能(neng)化可能(neng)損害(hai)它們的(de)(de)(de)(de)固有性質。

3）這種改性(xing)就(jiu)涉(she)及(ji)第三個問題(ti)，也就(jiu)是在基質中碳納米管和石墨烯分散不均勻。若不經表面(mian)處理，它們之間的(de)范德華力(li)使(shi)得碳納米管或石墨烯容易團聚，生成(cheng)連接性(xing)較(jiao)差(cha)的(de)界(jie)面(mian)和一些應力(li)集中的(de)位點，嚴重影響復合性(xing)能(neng)。非(fei)共價官能(neng)化(hua)方法可部分解(jie)決分散問題(ti)，但(dan)對于(yu)解(jie)決界(jie)面(mian)問題(ti)是無(wu)效的(de)。

圖3.碳納米管或石墨烯與聚合物基質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性質和導電性示意圖? TS：熱固性聚合物? TP：熱塑性聚合物? ES：彈性體

由于存在(zai)缺陷，納(na)米(mi)復合(he)(he)材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)強(qiang)度(du)(du)隨著其尺寸的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)而下(xia)降，這(zhe)是宏觀納(na)米(mi)復合(he)(he)材(cai)(cai)料強(qiang)度(du)(du)不高的(de)(de)(de)原因之一。研(yan)究(jiu)納(na)米(mi)粒子對基質的(de)(de)(de)影響的(de)(de)(de)最簡單的(de)(de)(de)方法是測定(ding)復合(he)(he)材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)力學性(xing)能(neng)，最常用的(de)(de)(de)方法是通過(guo)應(ying)(ying)(ying)力-應(ying)(ying)(ying)變(bian)曲線(圖4A)判斷。多壁碳(tan)納(na)米(mi)管和石(shi)墨烯的(de)(de)(de)加(jia)入會(hui)導致應(ying)(ying)(ying)力-應(ying)(ying)(ying)變(bian)曲線發(fa)生重大(da)變(bian)化，即使加(jia)入的(de)(de)(de)量相對較(jiao)低，剛度(du)(du)也會(hui)大(da)幅度(du)(du)增(zeng)加(jia)。因此(ci)通過(guo)繪(hui)制(zhi)具有非線性(xing)應(ying)(ying)(ying)力應(ying)(ying)(ying)變(bian)曲線來(lai)評(ping)價其有效性(xing)。例如，在(zai)高度(du)(du)定(ding)向聚(ju)合(he)(he)物薄(bo)膜中，復合(he)(he)單壁碳(tan)納(na)米(mi)管后(hou)的(de)(de)(de)強(qiang)度(du)(du)可達到88 GPa。

圖5.碳納米管-環氧樹脂界面的AFM表征

小結與展望

最(zui)后，文章總結了(le)各種碳納(na)米管(guan)和石(shi)墨烯(xi)在復(fu)合材料(liao)中的添加情況，并對(dui)(dui)其(qi)應(ying)用前(qian)(qian)景進行了(le)展(zhan)望，對(dui)(dui)應(ying)于六種主要特性（強度/剛(gang)度、分散度、電導率、能量(liang)傳遞、界(jie)面(mian)和重(zhong)量(liang)），指出了(le)六種碳納(na)米管(guan)/石(shi)墨烯(xi)復(fu)合材料(liao)的重(zhong)要應(ying)用前(qian)(qian)景（結構應(ying)用、多功能復(fu)合材料(liao)、電、熱管(guan)理材料(liao)、能量(liang)吸收復(fu)合材料(liao)和自強化(hua)復(fu)合材料(liao)）。

也就是說，對于特定領域的應用，需對癥下藥，著重所需要的功能進行相應的結構設計。

利(li)用(yong)碳納米(mi)管(guan)和(he)(he)石(shi)墨(mo)烯(xi)(xi)連續紡絲(si)，以(yi)及合成各種(zhong)(zhong)可(ke)控的(de)(de)碳納米(mi)管(guan)和(he)(he)石(shi)墨(mo)烯(xi)(xi)結(jie)構(gou)都(dou)取得了很大的(de)(de)進展(zhan)。這將為(wei)碳納米(mi)管(guan)和(he)(he)石(shi)墨(mo)烯(xi)(xi)的(de)(de)獨特性能向各種(zhong)(zhong)實際工業應(ying)用(yong)轉化(hua)提(ti)(ti)供有利(li)條(tiao)件。可(ke)以(yi)預見，經過(guo)精(jing)心設計和(he)(he)優化(hua)，碳納米(mi)管(guan)和(he)(he)石(shi)墨(mo)烯(xi)(xi)復(fu)(fu)合材料(liao)不(bu)僅可(ke)以(yi)取代碳纖(xian)維(wei)復(fu)(fu)合材料(liao)成為(wei)目前最先進的(de)(de)復(fu)(fu)合材料(liao)，還(huan)能提(ti)(ti)供新的(de)(de)功能，如刺激反應(ying)、作為(wei)儲能和(he)(he)轉換(huan)元(yuan)件、作為(wei)復(fu)(fu)合材料(liao)實時結(jie)構(gou)狀態監(jian)測、傳感(gan)和(he)(he)振動阻(zu)尼等。

最后，若能解決以上(shang)科學和技(ji)術問(wen)題，碳納米管和石墨烯豐富的儲量以及相對較低(di)的成本將保證其(qi)復合材料取(qu)得(de)成功。

參考文獻：

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.

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

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