石墨烯、碳納米管等納米碳材料的功能
化改性及復合材料碳材料的種類繁多，包括木炭、炭黑、石墨、 金剛石、線性碳、碳纖維、玻璃碳、石墨層間化合物、富勒烯、碳納米管和石墨烯等。碳納米管和石墨烯是近十年來研究最火熱的材料，石墨烯納米片是一種由碳原子 sp2 雜化軌道組成的六角形呈蜂巢狀晶格的片狀結構新材料，碳納米管可以看成是石墨烯納米片卷曲成的一維管狀納米結構碳材料，兩者都具有高的機械熱力學性能和電性能。然而 , 無論石墨烯還是碳納米管，在制備相關復合材料時， 由于其特有的小尺寸效應和表面效應以及強的范德華力，使其極其容易發(fā)生自身團聚而無法制備出均勻的復合材料；另一方面，由于兩者表面的疏水、疏油性質(zhì)及化學惰性，導致與其他材料的界面相容性比較差，所得復合材料的界面結合強度就比較低。 這需要對其進行功能化改性，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。功能化改性可以達成修飾和調(diào)變石墨中碳原子電子結構的目的，從而改變其物理化學性質(zhì)，進而提高納米碳材料在制備復合材料時的可加工性。
石墨烯和碳納米管是材料學及相關領域研究的前沿。研究表明石墨烯、碳納米管及其復合材料在電子、信息、能源、材料和生物醫(yī)藥等領域具有廣 泛的應用前景，可望在 21 世紀掀起一場新的技術革命。
納米碳復合材料主要包括碳 / 聚合物復合材料、 碳 / 納米粒子復合材料和碳 / 碳復合材料等。無論石墨烯還是碳納米管，在制備相關復合材料時，由于其特有的小尺寸效應和表面效應以及強的范德華力，使其極其容易發(fā)生自身團聚而無法制備出均勻的復合材料；另一方面，由于兩者表面的疏水、疏油性質(zhì)及化學惰性，導致與其他材料的界面相容性 比較差，所得復合材料的界面結合強度就比較低。 這需要對其進行功能化改性，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。功能化改性可以達成修飾和調(diào)變石墨中碳原子電子結構的目的，從而改變其物理化學性質(zhì)，進而提高納米碳材料在制備復合材料時的可加工性。目前石墨烯和碳納米管復合材料制備研究的創(chuàng)新性不少是有關石墨烯或碳納米管的改性的，通過對石墨烯或碳納米管的改性，優(yōu)化復合材料的結構，從而提高復合材料的性能。石墨烯的功能化的方法主要有共價鍵合法和非共價鍵合法。共價鍵合功能化主要是對碳材料進行氧化處理，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，由于含氧 基團反應活性較高，從而奠定了共價改性基礎。然后采用異氰酸酯、硅烷偶聯(lián)劑、有機胺等試劑與氧化處理后的材料反應，實現(xiàn)碳材料的表面功能化。 非共價鍵合功能化是指通過對碳材料表面進行聚合物包裹或物理吸附等作用，來改變其表面特性，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石墨烯或碳納米管的固有結構沒有破壞作用，所以可以最大程度地保持它們的結構和性質(zhì)。
石墨烯、碳納米管等碳納米復合材料具有優(yōu)異的性能，且在多方面表現(xiàn)出了獨特的應用優(yōu)勢。然而，目前其產(chǎn)業(yè)化應用還比較少見，主要原因在于目前相關復合材料的制備水平還有待進一步提高。當前復合材料的制備是碳材料學科發(fā)展面臨的一大瓶頸，主要相關研究機構分布在中國、美國和印度等國家，引導相關研究工作者協(xié)同攻關，從不同角度解析制備過程中的相關規(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合材料的產(chǎn)業(yè)化應用乃至進入人們的日常生活打下基礎。
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