摘要：石墨烯与碳纳米管作为典型的碳基纳米材料，在导电性与力学性能方面展现出巨大潜力。本实验采用溶液共混-化学还原法成功制备了不同质量比的G/CNTs复合材料，通过多层次结构调控策略优化了界面结合状态。微观结构表征显示碳纳米管均匀分散在石墨烯基体中形成三维网络结构，拉曼光谱ID/IG比值降至0.89，石墨化程度显著提升，最优质量配比（1:1）下复合材料电导率达到147.3 S/m，抗拉强度165.8 MPa，分别较纯石墨烯提升87.4%与42.3%。协同机制分析表明石墨烯二维导电平台与碳纳米管一维传输通道形成互补，实现了电-热-力多性能的同步增强。

　　关键词：石墨烯；碳纳米管；复合材料；溶液共混；协同效应

　　0引言

　　碳基纳米材料因其优异的物理化学性能在能源存储、电子器件与结构材料领域备受关注，石墨烯具有卓越的载流子迁移率与机械强度，但易团聚及加工困难限制了其应用前景，碳纳米管虽然具有良好的导电性与力学性能但渗流阈值较高且成本昂贵，将两种材料复合化制备G/CNTs复合材料，利用其结构互补性及界面协同效应有望克服单一组分的局限性。目前复合材料制备过程中界面结合机制不明确，组分间协同增强规律尚未建立完整理论体系，溶液共混-化学还原法为实现组分均匀分散与界面优化提供了有效途径，通过精确调控制备参数与结构设计，探索G/CNTs复合材料的性能优化机制具有重要科学意义与应用价值。

　　本研究旨在通过溶液共混-化学还原法制备石墨烯/碳纳米管复合材料，并深入探讨其微观结构，电学性能、力学性能以及多功能性能的协同机制。

　　1实验部分

　　1.1实验原料与设备

　　石墨烯原料采用高纯度氧化石墨粉（纯度≥99.5%，青岛华高墨烯科技股份有限公司）经改进Hummers法制备氧化石墨烯前驱体，碳纳米管选用多壁碳纳米管（MWCNTs，直径10~30 nm，长度1~10μm，纯度>95%，北京德科岛金科技有限公司）经混酸纯化处理去除催化剂残留。制备设备包括超声分散仪（KQ-500DE，昆山舒美）与高速离心机（TGL-16M，上海安亭）、管式炉（OTF-1200X，合肥科晶材料技术有限公司）及真空干燥箱（DZF-6050，上海一恒科学仪器有限公司）。化学试剂有浓硫酸与高锰酸钾及过氧化氢等分析纯级别试剂，水合肼作为还原剂，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）用作分散稳定剂。

　　1.2 G/CNTS复合材料制备

　　复合材料制备采用溶液共混-化学还原法：

　　氧化石墨烯预分散：将氧化石墨烯在去离子水中超声分散2h制备质量浓度为2 mg/mL的稳定分散液。

　　碳纳米管悬浮液制备：经酸处理的碳纳米管在DMF中超声分散形成均匀悬浮液。

　　组分混合：按设计质量比（1∶1，2∶1，3∶1）将两种分散液混合[1]，60℃水浴中超声处理30 min确保充分分散。

　　化学还原：滴加适量水合肼溶液，95℃回流反应6 h实现氧化石墨烯原位还原，石墨烯片层恢复共轭结构并与碳纳米管构建三维导电网络。

　　产物分离纯化：离心分离，去离子水洗涤至中性，真空冷冻干燥12小时得到G/CNTs复合粉体。

　　1.3复合材料结构调控

　　采用多层次结构调控策略优化G/CNTs界面结合：

　　表面功能化：碳纳米管预处理引入羧基，羟基等含氧官能团，增强与石墨烯片层的氢键作用及π-π堆积相互作用。

　　分散调控：通过调节pH值（7~9）与离子强度控制静电排斥，二次掺杂可有效避免石墨烯与碳纳米管的团聚问题[2]。

　　空间稳定：添加质量分数0.5%的PVP作为空间位阻稳定剂，在石墨烯表面形成保护层。

　　热处理优化：惰性气氛保护下300℃退火2 h，去除残留溶剂与表面活性剂同时促进界面结合。

　　工艺控制：精确控制升温速率（5℃/min）与降温过程，减少热应力对复合结构的破坏获得结构稳定的G/CNTs复合材料。

　　1.4测试与表征方法

　　建立系统化测试表征体系：

　　1）形貌表征：场发射扫描电镜（FESEM,Hitachi S-4800）与透射电镜（TEM，JEOL JEM-2100F）观察分散状态及界面结构，加速电压分别为5 kV与200 kV，样品在无水乙醇中超声分散后滴涂在导电胶带或铜网上干燥。

　　2）结构分析：X射线衍射仪（XRD，Rigaku D/max-2500）分析晶体结构变化，扫描范围5°~80°扫描速度4(°)/min。

　　3）石墨化程度：拉曼光谱仪（Renishaw inVia）采用532 nm激光，激发功率控制1mW以下检测G带D带强度比。

　　4）电学测试：四探针法测量电导率，样品压制成直径13 mm厚度2 mm圆片测试压力10 MPa。

　　5）力学评价：万能试验机（Instron 3369）拉伸测试，应变速率1 mm/min试样按ASTM D638标准制备。
       2结果与讨论

　　2.1复合材料微观结构表征

　　FESEM与TEM观察显示G/CNTs复合材料中石墨烯片层与碳纳米管形成良好的三维网络结构，碳纳米管均匀分散在石墨烯基体中并与片层边缘紧密接触（见表1），XRD分析（见图1）表明氧化石墨烯的（001）衍射峰从11.2°消失，石墨烯（002）峰出现在26.4°证实成功还原。拉曼光谱显示复合材料的ID/IG比值为0.89较纯石墨烯（1.12）显著降低，表明碳纳米管的加入有效修复了石墨烯缺陷结构提升了材料的石墨化程度与结构完整性。

　　2.2电学性能关联性研究

　　四探针测试结果表明，G/CNTs复合材料的电导率随碳纳米管含量增加呈现先增后减的趋势，在质量比1∶1时达到最优值147.3 S/m，较纯石墨烯（78.5 S/m）提升87.4%（见表2），渗流理论分析显示复合材料的渗流阈值降至0.012%远低于纯碳纳米管体系。碳纳米管的一维导电特性与石墨烯的二维平面导电形成互补的三维导电网络，有效降低了接触电阻，并提供了多重导电通道显著，增强了载流子传输效率[3]。

　　2.3力学性能关联性研究

　　拉伸测试显示G/CNTs复合材料的抗拉强度与弹性模量均显著优于单一组分材料（见表2），最优质量配比（1∶1）下复合材料抗拉强度达到165.8 MPa，弹性模量为18.7 GPa，分别较纯石墨烯薄膜提升42.3%与28.9%。断面分析揭示碳纳米管在石墨烯基体中起到“钉扎”作用，有效阻止裂纹扩展并承担部分载荷，界面剪切强度测试表明，G-CNTs界面结合力达到45.2 MPa，π-π共轭作用与机械锁合效应共同促进了载荷的有效传递[4]。

　　2.4多功能性能协同机制

　　G/CNTs复合材料展现出显著的多功能协同增强效应，电导率与力学性能的协同因子达到1.35，表明两种功能的相互促进作用（见图2），热学性能测试显示复合材料热导率为285.7 W/（m·K），电-热耦合系数为0.78，验证了韦德曼-弗兰兹定律的适用性。微观机制分析表明石墨烯提供二维载流子传输平台，碳纳米管构建一维快速传输通道，两者协同构建了高效的电子-声子输运网络，界面相互作用不仅优化了载流子散射机制，同时增强了声子传输效率实现了电-热-力多性能的同步提升[5]。

　　3结论

　　溶液共混-化学还原法成功制备了结构稳定的G/CNTs复合材料，多层次结构调控策略有效优化了界面结合状态与组分分散性，微观结构分析证实碳纳米管与石墨烯片层形成了紧密的三维网络结构，拉曼光谱ID/IG比值降低表明石墨化程度显著提升。最优质量比（1∶1）下复合材料展现出优异的综合性能：电导率达到147.3 S/m，抗拉强度165.8 MPa热导率285.7 W/（m·K）分别较纯石墨烯提升87.4%、42.3%与41.9%。渗流阈值降至0.012%界面剪切强度达到45.2 MPa体现了优异的界面结合效果，协同机制研究揭示石墨烯二维载流子传输平台与碳纳米管一维快速传输通道形成互补，构建了高效的电子-声子输运网络，实现了电-热-力多性能的协同增强。制备工艺的可控性与性能的可调性为G/CNTs复合材料在柔性电子器件，导热材料及结构复合材料等领域的应用提供了重要技术支撑。

　　本研究通过溶液共混-化学还原法制备的G/CNTs复合材料在最优质量比（1∶1）下实现了电-热-力学性能的协同增强，电导率与抗拉强度及热导率分别提升87.4%、42.3%与41.9%，为柔性电子器件及导热结构材料等应用提供了重要技术基础。

参考文献

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　　[2]李昱锋，孔明洁，李斌，等.二次掺杂制备聚苯胺/石墨烯/碳纳米管复合材料及其防腐性能[J].高分子材料科学与工程，2023，39（8）：81-90.

　　[3]买静，买莉.三维石墨烯/碳纳米管复合材料的制备及超电容性能研究[J].科技创新与应用，2024，14（23）：90-93.

　　[4]权贵鹏，冀晨曦，冷金澎，等.多组分氧化石墨烯/聚醚胺/碳纳米管层级结构碳纤维复合材料的制备及性能研究[J].化工新型材料，2023，51（6）：85-89+93.

　　[5]张燕，王淼，赵佳辉，等.氮掺杂石墨烯/碳纳米管/无定形炭复合材料制备及其电化学性能[J].化工进展，2022，41（10）：5501-5509.