張蕊 張富超 吳沚陽(yáng)

摘 要：碳納米材料是目前納米材料領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，由于碳納米管與石墨烯有著極為相似的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，使得碳納米管和石墨烯組成的復(fù)合材料作為一種新型碳材料廣泛發(fā)展，并且成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)材料。本文主要對(duì)石墨烯和碳納米管進(jìn)行介紹并闡明其應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：碳納米管;石墨烯

石墨烯是碳元素的二維同素異形體，其雖然是一種熱門(mén)的新型材料，但它仍然沒(méi)擺脫碳填充填料的基本特性，石墨烯的性能也在碳納米管填充材料的性能基礎(chǔ)上得到了提高。在導(dǎo)電性能方面，石墨烯具有較高電導(dǎo)率，較大徑厚比和表面積，其優(yōu)異的導(dǎo)電性能在一定程度上能提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性，具有良好的發(fā)展前景。[1]

碳納米管是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料，主要由幾層到幾十層同軸的六邊形碳原子圓形管組成，層間距離固定，約0.34nm。由于碳納米管具有許多特殊的機(jī)械、導(dǎo)電和化學(xué)性能，因此其廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)和制造復(fù)合材料等方面。

一、石墨烯的介紹及應(yīng)用前景

（一）石墨烯的介紹

石墨烯是一種二維碳納米材料，是由sp?雜化軌道的碳原子組成的六邊形蜂窩晶格。它又被稱(chēng)為單層石墨，具有卓越的光學(xué)、電氣、力學(xué)等特性，在材料科學(xué)、微制造、能源和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被人們認(rèn)為是未來(lái)革命性的材料。石墨烯由于其優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和機(jī)械性能，在傳感器、聚合物納米復(fù)合材料、光電功能材料、藥物控制釋放等領(lǐng)域顯示出較多應(yīng)用潛能。

石墨烯可分為以下幾類(lèi)：?jiǎn)螌邮?、雙層石墨烯、少層石墨烯和多層石墨烯。其中單層石墨烯是一種二維碳材料，由一層苯環(huán)結(jié)構(gòu)的碳原子組成，密集周期性地排列;雙層石墨烯是指兩層碳原子以不同的疊加方式疊加而成的具有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的二維碳材料;少層石墨烯是指由3-10層碳原子組成的二維碳材料，這些碳原子以苯環(huán)結(jié)構(gòu)周期性密集排列，并以不同的堆疊方式堆疊。多層石墨烯又稱(chēng)厚層石墨烯，是指碳原子通過(guò)不同的疊加方法疊加而形成的二維碳材料，其苯環(huán)結(jié)構(gòu)厚度在10層以上，且小于10nm。

（二）石墨烯的應(yīng)用前景

根據(jù)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的報(bào)告，中國(guó)是世界上最大的石墨生產(chǎn)國(guó)，2015年中國(guó)生產(chǎn)石墨86萬(wàn)噸，占世界石墨總產(chǎn)量的67.7%。此外，中國(guó)是世界第二大石墨資源國(guó)，石墨基礎(chǔ)儲(chǔ)量約占世界總儲(chǔ)量的33%，已發(fā)現(xiàn)的資源儲(chǔ)量為2.6億噸，預(yù)測(cè)資源潛力為18.7億噸，主要分布在黑龍江、內(nèi)蒙古、和山東等省區(qū)。從生產(chǎn)角度來(lái)看，石墨作為石墨烯生產(chǎn)的原材料，在我國(guó)能源儲(chǔ)備充足，價(jià)格低廉，因此，中國(guó)在石墨烯研究方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

石墨烯的研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)持續(xù)升溫，石墨烯及與石墨烯相關(guān)的材料廣泛應(yīng)用于電池電極材料、電容器、透明顯示屏、半導(dǎo)體器件、傳感器、晶體管等方面。鑒于石墨烯材料優(yōu)異的性能及其潛在的應(yīng)用價(jià)值，在化學(xué)、物理、材料、生物、科學(xué)、能源等眾多學(xué)科中已取得了一系列重要進(jìn)展。

石墨烯可以具體應(yīng)用到以下幾個(gè)領(lǐng)域，在醫(yī)藥領(lǐng)域可以進(jìn)行靶向藥物輸送和催化載體;在電子領(lǐng)域可以做成燃料電池材料、傳感器材料、電子元器件等;在能源領(lǐng)域可以做成超級(jí)電容器和鋰離子電池;在新材料領(lǐng)域可以做成防腐涂料、散熱材料、電學(xué)材料、功能增強(qiáng)材料等。鑒于其優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、機(jī)械、熱學(xué)性能促使研究者們繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行更深入地研究，隨著石墨烯制備方法的不斷發(fā)展，在不久的將來(lái)石墨烯必將在各個(gè)領(lǐng)域被更廣泛的應(yīng)用，也被認(rèn)為是“21世紀(jì)的未來(lái)革命性材料”。[2]

二、碳納米管的介紹及應(yīng)用前景

（一）碳納米管的介紹

碳納米管又稱(chēng)巴基管，是碳的同素異形體，屬于富勒碳系，是由單層或多層石墨片以一定的螺旋角度圍繞中心卷曲而成的無(wú)縫中空納米級(jí)圓柱體。兩端的“碳帽”由一個(gè)五元環(huán)和一個(gè)六元環(huán)包圍。根據(jù)組成的石墨片層數(shù)，可將其分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。碳納米管具有可調(diào)控的納米中空管腔結(jié)構(gòu)、大的長(zhǎng)徑比、較高的比表面積、表面能和表面結(jié)合能，能吸收和填充粒子，具有機(jī)械強(qiáng)度高、硬度大、熱穩(wěn)定性高以及高的傳導(dǎo)率等特點(diǎn)。

碳納米管廣泛應(yīng)用于橡膠、工程塑料、合成樹(shù)脂等復(fù)合材料中，以提高材料的應(yīng)力水平，也廣泛應(yīng)用于導(dǎo)電材料、電磁屏蔽材料、鋰電池、燃料電池和新型高速光電傳感器中。

（二）碳納米管的應(yīng)用前景

納米材料是納米技術(shù)的基礎(chǔ)，而碳納米管又可稱(chēng)為納米材料之王。碳納米材料是納米材料技術(shù)的重要組成部分，它影響著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。

碳納米管的應(yīng)用極其廣泛，可以制成透明導(dǎo)電的薄膜，還可以應(yīng)用于碳納米管觸摸屏，現(xiàn)在已經(jīng)有很多智能手機(jī)應(yīng)用碳納米管制成的觸摸屏;在電子領(lǐng)域，可以制成碳納米管天線(xiàn);在復(fù)合材料領(lǐng)域，其構(gòu)成的復(fù)合材料具有極高的強(qiáng)度;能源領(lǐng)域可以制成儲(chǔ)氫材料和超級(jí)碳納米纖素電池;環(huán)保領(lǐng)域可以制成新型保濕材料，有效減少土地沙漠化和水土流失等。

碳納米管以其獨(dú)特的金屬或半導(dǎo)體導(dǎo)電性能、獨(dú)特的機(jī)械性能、較高的機(jī)械強(qiáng)度、傳熱性能和吸附能力等特點(diǎn)，成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。碳納米管是一種性能獨(dú)特的新型功能和結(jié)構(gòu)材料，在信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、納米電子器件、復(fù)合增強(qiáng)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景?？梢灶A(yù)見(jiàn)，碳納米管將在許多領(lǐng)域形成新的產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。[3]

三、結(jié)語(yǔ)

石墨烯與碳納米管有著相似的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，同時(shí)都具有優(yōu)異的性能以及廣泛的應(yīng)用前景，此外，石墨烯等傳統(tǒng)填料組成的復(fù)合材料也值得研究。在很多情況下，可以同時(shí)考慮兩者之間的聯(lián)系和區(qū)別，充分發(fā)揮各自的特性和優(yōu)勢(shì)，相互補(bǔ)充，在未來(lái)兩者都將在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]陳留群，孫光輝，李春林，金江彬.從碳納米管到石墨烯-淺談碳納米材料的研究進(jìn)展[J].2011，25（18）：115-124.

[2]梁滔，燕鵬華，鄭紅兵，石墨烯填充橡膠復(fù)合材料研究進(jìn)展[J].“科邁杯”第12屆全國(guó)橡膠助劑生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)論文集：69-72.

[3]吳雅仙，章其林.碳納米管膜的制備和應(yīng)用進(jìn)展[J].長(zhǎng)春師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，39（06）：25-34.