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南澳大利亞大學(xué)、南澳大學(xué)STEM和未來工業(yè)研究所Xiao Su等--含多壁碳納米管和石墨烯納米片的聚合物納米復(fù)合材料的比較研究

多壁碳納米管(MWCNTs)和石墨烯(納米)小片(GNPs或GnPs，每個小片的厚度小于10 nm)具有優(yōu)異的力學(xué)和實(shí)用性能，已越來越多地用于聚合物納米復(fù)合材料的開發(fā)。由于多壁碳納米管目前在工業(yè)應(yīng)用中的成本效益為每公斤30美元，因此這項(xiàng)工作首先簡要回顧了多壁碳納米管的解纏和表面改性，以及由此產(chǎn)生的聚合物納米復(fù)合材料的性能。GNPs可通過石墨插層化合物的熱處理和超聲處理來制備，與MWCNTs相比，GNPs的成本較低，但具有較高的1400S cm^-1以上的電導(dǎo)率。通過適當(dāng)?shù)谋砻娓男院蛷?fù)合技術(shù)，這兩種填料都可以增強(qiáng)或增韌聚合物，同時(shí)增加抗靜電性能。較高的MWCNTs/GNPs比將提高聚合物的協(xié)同效應(yīng)。綠色、無溶劑的合成方法是制備聚合物納米復(fù)合材料的理想方法。對研究的局限性、當(dāng)前的挑戰(zhàn)和未來的前景進(jìn)行了展望。

圖1. (a)2012-2021年標(biāo)題搜索中以碳納米管、石墨烯和復(fù)合材料為關(guān)鍵詞的出版物數(shù)量(Clarivate Analytic數(shù)據(jù)庫；截至2021年7月)，以及(b)2017年至2021年關(guān)于“碳納米管石墨烯復(fù)合材料”的出版物。

圖2. 聚合物復(fù)合材料和納米復(fù)合材料的楊氏模量與拉伸強(qiáng)度的Ashby曲線圖。

圖3. (a)顆粒大小對聚合物復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響。(b)微米級填料和納米級填料之間顆粒距離的比較，以及(c)總顆粒表面的比較。

圖4. (a及其插頁)原始的MWCNTs，(b)黑色箭頭表示側(cè)壁已損壞，(c)改性MWCNT的開口端蓋，(d)圓圈表示改性MWCNTs上的缺陷，(e)白色箭頭表示側(cè)壁邊緣，以及(f)側(cè)壁部分損壞。

圖5. 具有不同填料取向的MWCNT納米復(fù)合材料的示意圖：(a)對齊的，(b)平面內(nèi)隨機(jī)取向，(c)3D隨機(jī)取向。

圖6. 最常見的石墨烯生產(chǎn)方法的主要特征比例為0-3：G表示石墨烯質(zhì)量，C表示生產(chǎn)成本(低值對應(yīng)于高生產(chǎn)成本)，S表示可伸縮性，P表示純度，Y表示每條制備路線的產(chǎn)率。

圖7.微波還原GO納米片的高分辨透射電子顯微鏡(HR-TEM)顯微照片。(a)單層化學(xué)還原的GO呈現(xiàn)高密度的缺陷。紅色箭頭表示孔，藍(lán)色箭頭表示含氧官能團(tuán)。雙層(b)和三層(c)MW-rGO呈現(xiàn)高度有序的結(jié)構(gòu)。比例尺，1 nm。

圖8. 給定體積的基質(zhì)中的GNPs數(shù)量(左)及其總表面積(右) 。

圖9. 石墨烯納米片共價(jià)修飾示意圖。

圖10. (a)MWCNTs，(b)GNPs和(c)MWCNT-GNP雜化物的SEM顯微照片。

圖11. 總結(jié)了各種MWCNT和GNP復(fù)合材料的示意圖，這些復(fù)合材料具有預(yù)期的增強(qiáng)性能可用于未來的應(yīng)用，以及六個關(guān)鍵參數(shù)。

相關(guān)研究成果由南澳大利亞大學(xué)、南澳大學(xué)STEM和未來工業(yè)研究所Xiao Su等人于2021年發(fā)表在Nano Materials Science (https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2021.08.003)上。原文：A comparative study of polymer nanocomposites containing multi-walled carbon nanotubes and graphene nanoplatelets。

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號



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