第一作者：Ian A. Kinloch
通讯作者：Pulickel M. Ajayan
通讯单位：美国莱斯大学
谈到石墨烯，貌似谁都能搭上两句，然而石墨烯的神奇之处到底在哪里，似乎并不为大多数人所熟知。石墨烯在面内的杨氏模量接近1 TPa，其碳碳键具有相当的刚度，且单原子超薄层状特性使得其在弯曲、扭曲和其它形变中表现出良好的柔性。在已知材料中，其面内电导和热导率是最高的，但层间的各项性能就不那么好了。
碳纳米管可以看做将石墨烯平面卷起，将平面内性质转化为轴向的一种材料，其轴向强度是最高的。因此与石墨烯类似，碳纳米管也易于进行弯曲、扭曲等形变。与多层石墨烯类似，碳纳米管也有单壁碳纳米管(SWNT)和多壁碳纳米管(MWNTs)]等嵌套结构，其机械性能等有显著区别。
图1. 碳纳米复合材料及其性能一览
作为所谓的“万金油”，碳纳米管或石墨烯复合材料是近年来研究热点中的热点，应用前景令人期待。然而，近二十年的研究并没有让碳纳米管和石墨烯复合材料大规模进入实用领域，载荷转移、界面、分散性和粘度等问题依然悬而未决。此外，对于一维碳管和二维石墨烯这两种不同结构的材料，也没有文献系统地根据其与各种基质不同的结合特性加以预先设计并选择区分。
有鉴于此，来自英国曼彻斯特大学、韩国成均馆大学和美国莱斯大学的科学家们在Science发表综述，详细介绍了高强度、低密度、高导电性纳米管或石墨烯复合材料的研究现状，展望了纳米管和石墨烯复合材料的发展方向，并围绕着三个重要问题，由浅及深展开探讨：
1. 碳纳米管和石墨烯复合材料结构的独特之处何在。
2. 为何碳纳米管和石墨烯复合材料历经多年研究探索后并无实质性进展。
3. 怎样才能使它们在复合材料中更好地起到增强作用。
此外，文章还系统阐述了碳管或石墨烯复合材料在实际应用和产业化发展中面临的瓶颈与可能的解决方法，以及对碳管和石墨烯复合材料未来应用的展望。
图2.碳管/石墨烯纤维在复合材料中的结构示意图及相应材料杨氏模量-抗拉伸强度对比
通常来说，由于石墨烯和纳米管的微观结构几乎不存在缺陷，其测量得到的局部刚度非常高。但当与其他基质材料复合时，科学家们就发现了一系列问题。
1）石墨烯和碳纳米管都是以微粒的形式与其他材料复合，其尺寸(石墨烯的横向尺寸/碳纳米管的长度)可达几百微米。而这种短纤维载荷转移能力较弱，在用碳纳米管或石墨烯分散制备复合材料时此问题较为突出。
2）石墨烯和碳纳米管的表面平滑，几乎不存在悬挂键或缺陷位点(边缘除外)，导致填料-基质界面相互作用力不强，使得在机械变形过程中界面载荷的传递差，电子和声子的散射度高，影响了导电性和导热性。在工业上，此类界面问题是复合材料的主要障碍，目前工业上通过化学改性来指定颗粒的尺寸，但是对于纳米管和石墨烯来说，对其表面官能化可能损害它们的固有性质。
3）这种改性就涉及第三个问题，也就是在基质中碳纳米管和石墨烯分散不均匀。若不经表面处理，它们之间的范德华力使得碳纳米管或石墨烯容易团聚，生成连接性较差的界面和一些应力集中的位点，严重影响复合性能。非共价官能化方法可部分解决分散问题，但对于解决界面问题是无效的。
图3.碳纳米管或石墨烯与聚合物基质相互作用的四种不同修饰作用示意图。几种碳纳米管或石墨烯的化学改性方案提高了填料与聚合物基体之间的界面强度。
因此，需要用系统的方法分析设计最佳的碳纳米管或石墨烯复合材料。值得一提的是，对于复合材料整体何为最佳取决于应用领域：有人希望填料负载量尽可能高，因而追求负载量，而有人希望导电性好，从而希望负载量低，所需的微观结构可能是矛盾的。所以，你要最好的，还是最合适的？你真的知道你要的是什么吗？
图4.碳纳米管或石墨烯纳米复合材料的力学性质和导电性示意图 TS：热固性聚合物 TP：热塑性聚合物 ES：弹性体
由于存在缺陷，纳米复合材料的强度随着其尺寸的增加而下降，这是宏观纳米复合材料强度不高的原因之一。研究纳米粒子对基质的影响的最简单的方法是测定复合材料的力学性能，最常用的方法是通过应力-应变曲线(图4A)判断。多壁碳纳米管和石墨烯的加入会导致应力-应变曲线发生重大变化，即使加入的量相对较低，刚度也会大幅度增加。因此通过绘制具有非线性应力应变曲线来评价其有效性。例如，在高度定向聚合物薄膜中，复合单壁碳纳米管后的强度可达到88 GPa。
图5.碳纳米管-环氧树脂界面的AFM表征
小结与展望
最后，文章总结了各种碳纳米管和石墨烯在复合材料中的添加情况，并对其应用前景进行了展望，对应于六种主要特性（强度/刚度、分散度、电导率、能量传递、界面和重量），指出了六种碳纳米管/石墨烯复合材料的重要应用前景（结构应用、多功能复合材料、电、热管理材料、能量吸收复合材料和自强化复合材料）。
也就是说，对于特定领域的应用，需对症下药，着重所需要的功能进行相应的结构设计。
利用碳纳米管和石墨烯连续纺丝，以及合成各种可控的碳纳米管和石墨烯结构都取得了很大的进展。这将为碳纳米管和石墨烯的独特性能向各种实际工业应用转化提供有利条件。可以预见，经过精心设计和优化，碳纳米管和石墨烯复合材料不仅可以取代碳纤维复合材料成为目前最先进的复合材料，还能提供新的功能，如刺激反应、作为储能和转换元件、作为复合材料实时结构状态监测、传感和振动阻尼等。
最后，若能解决以上科学和技术问题，碳纳米管和石墨烯丰富的储量以及相对较低的成本将保证其复合材料取得成功。
参考文献：
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.
http://science.sciencemag.org/content/362/6414/547
