納米碳材料功能化應用前景分析

張蕊 張富超 吳沚陽

摘 要：碳納米材料是目前納米材料領域應用最廣泛的技術，由于碳納米管與石墨烯有著極為相似的結構和性質，使得碳納米管和石墨烯組成的復合材料作為一種新型碳材料廣泛發(fā)展，并且成為國內外研究的熱點材料。本文主要對石墨烯和碳納米管進行介紹并闡明其應用前景。

關鍵詞：碳納米管;石墨烯

石墨烯是碳元素的二維同素異形體，其雖然是一種熱門的新型材料，但它仍然沒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上得到了提高。在導電性能方面，石墨烯具有較高電導率，較大徑厚比和表面積，其優(yōu)異的導電性能在一定程度上能提高復合材料的導電性，具有良好的發(fā)展前景。[1]

碳納米管是一種具有特殊結構的一維量子材料，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械、導電和化學性能，因此其廣泛應用于材料科學和制造復合材料等方面。

一、石墨烯的介紹及應用前景

（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。它又被稱為單層石墨，具有卓越的光學、電氣、力學等特性，在材料科學、微制造、能源和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被人們認為是未來革命性的材料。石墨烯由于其優(yōu)異的導熱性能和機械性能，在傳感器、聚合物納米復合材料、光電功能材料、藥物控制釋放等領域顯示出較多應用潛能。

石墨烯可分為以下幾類：單層石墨烯、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)結構的碳原子組成，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)結構的二維碳材料;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)結構周期性密集排列，并以不同的堆疊方式堆疊。多層石墨烯又稱厚層石墨烯，是指碳原子通過不同的疊加方法疊加而形成的二維碳材料，其苯環(huán)結構厚度在10層以上，且小于10nm。

（二）石墨烯的應用前景

根據中國地質調查局的報告，中國是世界上最大的石墨生產國，2015年中國生產石墨86萬噸，占世界石墨總產量的67.7%。此外，中國是世界第二大石墨資源國，石墨基礎儲量約占世界總儲量的33%，已發(fā)現的資源儲量為2.6億噸，預測資源潛力為18.7億噸，主要分布在黑龍江、內蒙古、和山東等省區(qū)。從生產角度來看，石墨作為石墨烯生產的原材料，在我國能源儲備充足，價格低廉，因此，中國在石墨烯研究方面具有獨特的優(yōu)勢。

石墨烯的研究與應用開發(fā)持續(xù)升溫，石墨烯及與石墨烯相關的材料廣泛應用于電池電極材料、電容器、透明顯示屏、半導體器件、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用價值，在化學、物理、材料、生物、科學、能源等眾多學科中已取得了一系列重要進展。

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

二、碳納米管的介紹及應用前景

（一）碳納米管的介紹

碳納米管又稱巴基管，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縫中空納米級圓柱體。兩端的“碳帽”由一個五元環(huán)和一個六元環(huán)包圍。根據組成的石墨片層數，可將其分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。碳納米管具有可調控的納米中空管腔結構、大的長徑比、較高的比表面積、表面能和表面結合能，能吸收和填充粒子，具有機械強度高、硬度大、熱穩(wěn)定性高以及高的傳導率等特點。

碳納米管廣泛應用于橡膠、工程塑料、合成樹脂等復合材料中，以提高材料的應力水平，也廣泛應用于導電材料、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）碳納米管的應用前景

納米材料是納米技術的基礎，而碳納米管又可稱為納米材料之王。碳納米材料是納米材料技術的重要組成部分，它影響著國民經濟的各個領域。

碳納米管的應用極其廣泛，可以制成透明導電的薄膜，還可以應用于碳納米管觸摸屏，現在已經有很多智能手機應用碳納米管制成的觸摸屏;在電子領域，可以制成碳納米管天線;在復合材料領域，其構成的復合材料具有極高的強度;能源領域可以制成儲氫材料和超級碳納米纖素電池;環(huán)保領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。

碳納米管以其獨特的金屬或半導體導電性能、獨特的機械性能、較高的機械強度、傳熱性能和吸附能力等特點，成為人們關注的熱點。碳納米管是一種性能獨特的新型功能和結構材料，在信息技術、自動化技術、納米電子器件、復合增強等方面具有廣闊的應用前景?？梢灶A見，碳納米管將在許多領域形成新的產業(yè)，產生顯著的經濟效益和社會效益。[3]

三、結語

石墨烯與碳納米管有著相似的結構和性質，同時都具有優(yōu)異的性能以及廣泛的應用前景，此外，石墨烯等傳統(tǒng)填料組成的復合材料也值得研究。在很多情況下，可以同時考慮兩者之間的聯系和區(qū)別，充分發(fā)揮各自的特性和優(yōu)勢，相互補充，在未來兩者都將在各個領域得到廣泛的應用。

參考文獻

[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展[J].2011，25（18）：115-124.

[2]梁滔，燕鵬華，鄭紅兵，石墨烯填充橡膠復合材料研究進展[J].“科邁杯”第12屆全國橡膠助劑生產和應用技術研討會論文集：69-72.

[3]吳雅仙，章其林.碳納米管膜的制備和應用進展[J].長春師范大學學報，2020，39（06）：25-34.