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。無論石墨烯還是碳納米管，在制備相關(guān)復(fù)合材料時，由于其特有的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)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(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(jié) 構(gòu)的目的，從而改變其物理化學(xué)性質(zhì)，進而提高納米碳材料在制備復(fù)合材料時的可加工性。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，通過對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(yīng)活性較高，從而奠定了共價改性基礎(chǔ)。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(yīng)，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(jié)構(gòu)沒有破壞作用，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)出了獨特的應(yīng)用優(yōu)勢。然而，目前其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還比較少見，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)研究機構(gòu)分布在中國、美國和印度等國家，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)用乃至進入人們的日常生活打下基礎(chǔ)。
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