石墨烯和碳納米管是材料學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域研究的前沿。研究表明石墨烯、碳納米管及其復(fù)合材料在電子、信息、能源、材料和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，可望在 21 世紀(jì)掀起一場(chǎng)新的技術(shù)革命。
納米碳復(fù)合材料主要包括碳 / 聚合物復(fù)合材料、 碳 / 納米粒子復(fù)合材料和碳 / 碳復(fù)合材料等。無(wú)論石墨烯還是碳納米管，在制備相關(guān)復(fù)合材料時(shí)，由于其特有的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)以及強(qiáng)的范德華力，使其極其容易發(fā)生自身團(tuán)聚而無(wú)法制備出均勻的復(fù)合材料；另一方面，由于兩者表面的疏水、疏油性質(zhì)及化學(xué)惰性，導(dǎo)致與其他材料的界面相容性比較差，所得復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度就比較低。 這需要對(duì)其進(jìn)行功能化改性，即在納米碳材料的石墨晶格中或表面上引入雜原子或雜原子官能團(tuán)。功能化改性可以達(dá)成修飾和調(diào)變石墨中碳原子電子結(jié) 構(gòu)的目的，從而改變其物理化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而提高納米碳材料在制備復(fù)合材料時(shí)的可加工性。目前石墨烯和碳納米管復(fù)合材料制備研究的創(chuàng)新性不少是有關(guān)石墨烯或碳納米管的改性的，通過(guò)對(duì)石墨烯或碳納米管的改性，優(yōu)化復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，從而提高復(fù)合材料的性能。石墨烯的功能化的方法主要有共價(jià)鍵合法和非共價(jià)鍵合法。共價(jià)鍵合功能化主要是對(duì)碳材料進(jìn)行氧化處理，從而在材料表面產(chǎn)生大量的環(huán)氧基、羰基、羥基和羧基等含氧基團(tuán)，由于含氧基團(tuán)反應(yīng)活性較高，從而奠定了共價(jià)改性基礎(chǔ)。然后采用異氰酸酯、硅烷偶聯(lián)劑、有機(jī)胺等試劑與氧化處理后的材料反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)碳材料的表面功能化。 非共價(jià)鍵合功能化是指通過(guò)對(duì)碳材料表面進(jìn)行聚合物包裹或物理吸附等作用，來(lái)改變其表面特性，提高其在水或非極性溶液中的分散性。由于聚合物包裹法和物理吸附對(duì)石墨烯或碳納米管的固有結(jié)構(gòu)沒(méi)有破壞作用，所以可以最大程度地保持它們的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。
石墨烯、碳納米管等碳納米復(fù)合材料具有優(yōu)異的性能，且在多方面表現(xiàn)出了獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。然而，目前其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還比較少見(jiàn)，主要原因在于目前相關(guān)復(fù)合材料的制備水平還有待進(jìn)一步提高。 當(dāng)前復(fù)合材料的制備是碳材料學(xué)科發(fā)展面臨的一大瓶頸，主要相關(guān)研究機(jī)構(gòu)分布在中國(guó)、美國(guó)和印度等國(guó)家，引導(dǎo)相關(guān)研究工作者協(xié)同攻關(guān)，從不同角度解析制備過(guò)程中的相關(guān)規(guī)律，可望大大提高其制備水平，最終為石墨烯、碳納米管等納米碳復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用乃至進(jìn)入人們的日常生活打下基礎(chǔ)。
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