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石墨烯碳纳米管复合材料的制备及应用进展

一、概述

随着科技的飞速发展，新材料的研究与应用日益成为推动科技

进步的重要力量。在众多新材料中，石墨烯和碳纳米管因其独特的

物理化学性质，被誉为21世纪最具潜力的材料之一。石墨烯，作为

一种单原子层厚的二维碳材料•，具有极高的强度、优异的导电性和导

热性而碳纳米管则以其独特的管状结构、优异的力学性能和电学性能

备受关注。当这两种材料复合在一起时，石墨烯碳纳米管复合材料

(GrapheneCarbonNanotubeComposites)不仅继承了各自的优异

特性，而且通过协同效应展现出更卓越的综合性能。

本文旨在综述石墨烯碳纳米管复合材料的制备方法及其在不同

领域的应用进展。我们将探讨不同的制备技术，包括化学气相沉积

(CVD)、溶液混合、以及电化学沉积等，并分析这些方法的优缺点。

我们将重点讨论石墨烯碳纳米管复合材料在能源存储、电子器件、生

物医药、以及复合材料等领域的应用研究。本文将探讨当前石墨烯碳

纳米管复合材料研究面临的挑战和未来的发展方向，以期为相关领域

的研究提供参考和启示。

1.石墨烯和碳纳米管的基本性质简介

石墨烯，作为一种二维碳材料，自2004年首次被成功分离以来,

因其独特的结构和卓越的物理化学性质，受到了广泛关注。石墨烯的

基本结构是由单层碳原子通过sp杂化形成的六角蜂窝状平面网状结

构。在这个结构中，每个碳原子与周围三个碳原子通过键连接，形成

一个非常稳定的平面结构。石墨烯的这种特殊结构赋予了它一系列独

特的性质，如极高的机械强度、良好的导电性和导热性、以及优异的

化学稳定性。

石墨烯被认为是已知最坚硬的材料之一，其杨氏模量高达0TPa,

比钢铁要高出很多倍。这种优异的机械性能使得石墨烯制备高强度

复合材料方面具有巨大的应用潜力。

石墨烯的电子性能同样令人瞩目。由于石墨烯中电子的运动速度

接近光速，这使得石墨烯具有非常高的电导率.石墨烯的能带结构使

其具有半金属特性，即电子石墨烯中的传导不受散射，因此高频

电子器件领域具有广泛的应用前景。

石墨烯具有极高的热导率，室温下可达5000WmK,远超铜和金

刚石。这种优异的导热性能使得石墨烯热管埋材料和热界面材料等

领域具有巨大的应用潜力。

碳纳米管，作为一种一维碳材料，自1991年被发现以来，也因

其独特的结构和优异的性能，受到了广泛关注。碳纳米管的基本结构

可以看作是由单层或多层石墨烯片卷曲而成的中空管状结构。碳纳米

管的壁可以是一个或多个石墨烯层，根据石墨烯层的数量，碳纳米管

可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。

碳纳米管具有非常优异的机械性能，其杨氏模量和强度均高于石

墨烯。这使得碳纳米管制备高强度复合材料方面具有巨大的应用潜

力。

碳纳米管的电子性能与其直径、手性和结构密切相关。根据其手

性和直径的不同，碳纳米管可以表现出金属性或半导体性。这种独特

的电子性能使得碳纳米管电子器件和传感器等领域具有广泛的应

用前景。

碳纳米管同样具有优异的导热性能，其热导率可与石墨烯相媲美。

这种优异的导热性能使得碳纳米管热管理材料和热界面材料等领

域具有巨大的应用潜力。

总结而言，石墨烯和碳纳米管这两种碳纳米材料因其独特的结构

和优异的性能，许多领域具有广泛的应用前景。单一的石墨烯或碳

纳米管某些方面仍存一定的局限性。将石墨烯和碳纳米管进行复

合，制备石墨烯碳纳米管复合材料，可以充分发挥两者的优势，拓展

其应用范围。接下来的章节中，我们将详细介绍石墨烯碳纳米管复

合材料的制备方法及其各个领域的应用进展。

2.石墨烯碳纳米管复合材料的产生背景和研究意义

石墨烯碳纳米管复合材料的研究兴起于21世纪初，随着单壁和

多壁碳纳米管