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科学:石墨烯复合材料的路在哪里

编辑: 发布时间:2019-10-26 15:29:33

科学:石墨烯复合材料的路在哪里  

当谈到石墨烯时,似乎每个人都能赶上两个句子,但石墨烯的魔力还不为大多数人所熟知,平面内的杨氏模量接近1 tpa。它的碳-碳键有相当大的刚度。单层原子的超薄层状特性使石墨烯在弯曲、扭曲等变形中具有一定的弹性,在已知的材料中,平面内导电率和热导率最高,但层间性能较差。

碳纳米管(CNT)可以看作是一种卷起石墨烯平面并将平面内的性质转变为轴向的材料,具有最高的轴向强度。因此,与石墨烯相似,碳纳米管容易弯曲和扭曲。与多层石墨烯相似,碳纳米管具有单W等嵌套结构。均化碳纳米管(SWNT)和多壁碳纳米管(MWNT)。它们的机械性能明显不同。

碳纳米管(CNT)或石墨烯复合材料是近年来的研究热点,具有广阔的应用前景,但近二十年来的研究并没有将碳纳米管和石墨烯复合材料大规模应用于实际领域。负载转移、界面、分散度和粘度仍悬而未决,此外,无论是一维碳管还是二维石墨烯材料,都没有根据其与不同基体的不同结合性能进行系统的设计和区分。

鉴于此,曼彻斯特大学、韩国城关大学和美国莱斯大学的科学家发表了一篇科学评论。详细先容了高强度、低密度、高导电纳米管或石墨烯复合材料的研究现状,并展望了纳米管和石墨烯复合材料的发展方向。围绕三个重要问题,从浅到深进行了讨论。

此外,系统地描述了碳管或石墨烯复合材料在实际应用和工业发展中的瓶颈和可能的解决方案,并展望了碳管和石墨烯复合材料的未来应用前景。

一般来说,石墨烯和纳米管的局部刚度测量值很高,因为它们的微观结构几乎没有缺陷,但与其他基体材料结合后,科学家发现了一系列问题。

1)石墨烯和碳纳米管以颗粒的形式与其它材料复合,其尺寸(石墨烯的横向尺寸/碳纳米管的长度)可达几百微米,但短纤维的负载转移能力较弱,当碳纳米管或石墨烯分散到准备复合材料。

2)石墨烯和碳纳米管表面光滑,几乎没有挂键或缺陷点(边缘除外),导致填料与基体间的弱相互作用,导致机械变形时界面载荷传递不好,电子和声子散射大,影响导电性。在工业上,这种界面问题是复合材料发展的主要障碍。目前工业上采用化学改性来确定颗粒的尺寸。然而,对于纳米管和石墨烯,它们的表面功能化可能会破坏它们的固有特性。

3)这种改性涉及到第三个问题,即碳纳米管和石墨烯在基体中的非均相分散,如果不经过表面处理,它们之间的范德华力使碳纳米管或石墨烯容易团聚,导致连接界面差,一些应力集中点严重影响。复合材料的非共价功能化可以部分解决分散问题,但不能有效地解决界面问题。

图3。碳纳米管或石墨烯与聚合物基体相互作用的四种不同改性效果的示意图。碳纳米管或石墨烯的几种化学改性方案提高了填料与聚合物基体的界面强度。

因此,有必要系统地分析和设计出最佳的碳纳米管或石墨烯复合材料,值得一提的是,复合材料的最佳综合性能取决于应用领域:一些人希翼填料的负载尽可能高,因此他们追求负载,而另一些人则希翼填料的负载达到最大。活性好,所以他们希翼负载低,所需的微观结构可能是矛盾的。那么,你想要最好的还是最好的你真的知道你想要什么吗

图4。碳纳米管或石墨烯纳米复合材料的机械性能和导电性TS:热固聚合物TP:热塑性聚合物ES:弹性体

由于缺陷的存在,纳米复合材料的强度随着尺寸的增大而降低,这是宏观纳米复合材料强度低的原因之一,研究纳米复合材料对基体影响的最简单方法是确定复合材料的力学性能。最常用的方法是测定应力-应变曲线(图4a)。添加多壁碳纳米管(mwcnts)和石墨烯将导致应力-应变曲线的显著变化。即使碳纳米管和石墨烯的用量相对较低,其刚度也会显著增加,因此,通过绘制非线性应力-应变曲线来评估其有效性。例如,在高取向聚合物薄膜中,复合单壁碳纳米管的强度可以达到88 gpa。

最后,总结了各种碳纳米管和石墨烯在复合材料中的添加情况,并针对六个主要特性(强度/刚度、分散性、导电性、能量转移、界面和重量),展望了它们的应用前景,指出了六种碳纳米管和石墨烯在复合材料中的重要应用前景。Otubes /石墨烯复合材料(结构应用、多功能复合材料等)、电气和热管理材料、吸能复合材料和自增强复合材料,也就是说,对于某一特定领域的应用,需要根据具体情况开合适的药物,重点是功能NEE。相应的结构设计。

在碳纳米管和石墨烯的连续旋压、碳纳米管和石墨烯可控结构的合成等方面都取得了很大的进展,这为碳纳米管和石墨烯独特的性能转化为各种实际工业应用提供了有利的条件。预计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,成为最先进的复合材料,而且还提供了刺激响应、储能转换元件、实时结构状态监测、传感和复合材料减振等新功能。奥斯特

最后,如果能解决上述科技问题,碳纳米管和石墨烯的丰富储量和相对较低的成本将保证其复合材料的成功。



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