石墨烯/聚合物納米復(fù)合材料的制備與性能研究

王靜文

摘 要 本文對(duì)石墨烯及其聚合物納米復(fù)合材料的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。首先概述了石墨烯的不同制備方法及石墨烯的共價(jià)與非共價(jià)改性途徑。然后重點(diǎn)總結(jié)了石墨烯/聚合物納米復(fù)合材料的常用制備方法及其機(jī)械性能、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐熱性及阻隔性能。最后，對(duì)該領(lǐng)域所存在的問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)，并展望了其發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 石墨烯 聚合物納米復(fù)合材料 制備與性能

中圖分類號(hào)：TQ325.14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0前言

石墨烯的理論研究始于1947年，迄今為止已有60多年的歷史。但真正能夠獨(dú)立存在的二維石墨烯晶體則是出現(xiàn)于2004年：英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的Geim研究小組采用機(jī)械剝離法首次制備出穩(wěn)定的石墨烯，由此掀起一股研究石墨烯的熱潮。

1石墨烯及其基本性質(zhì)

石墨烯是周期性排列碳原子的二維蜂窩材料。其晶體結(jié)構(gòu)示于圖1中。石墨烯的每個(gè)晶胞由兩個(gè)碳原子組成，并且碳-碳原子間距為0.142nm。碳原子通過(guò)SP2雜交鍵合。每個(gè)碳原子的三個(gè)SP2軌道與相鄰三個(gè)碳原子的SP2軌道結(jié)合形成強(qiáng)%l鍵。晶體的晶體結(jié)構(gòu)彼此重疊以形成%i共軛體系，石墨烯獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的性能。石墨烯具有極高的機(jī)械強(qiáng)度（130GPa），優(yōu)異的導(dǎo)熱性和較大的比表面積。其載流子遷移率高達(dá)15000cm2·V-1·S-1，并且還具有室溫量子效應(yīng)。霍爾效應(yīng)和室溫鐵磁性等特殊性能。與碳納米管相比，石墨烯的主要性能指標(biāo)具有可比性甚至更好，石墨烯來(lái)源豐富，成本低廉，易于批量生產(chǎn)。

目前，石墨烯的制備方法主要包括機(jī)械剝離法，化學(xué)氣相沉積法，氧化石墨還原法，外延生長(zhǎng)法，有機(jī)合成法等。其中，氧化石墨還原法簡(jiǎn)單，成品率高，應(yīng)用廣泛。在用氧化石墨還原法制備的石墨烯中，殘留缺陷和基團(tuán)不僅可以提高阻抗匹配性能，還可以促進(jìn)電子向費(fèi)米能級(jí)的轉(zhuǎn)變，并且缺陷可以放松微波的極化，小組發(fā)電給微波爐。偶極子放松，所以石墨烯具有更好的微波吸收特性。

與石墨和碳納米管相比，采用氧化石墨還原法制備的氧化石墨具有更好的微波吸收能力，甚至超過(guò)優(yōu)質(zhì)石墨烯。它是一種理想的吸波材料。石墨烯與聚合物的復(fù)合物可以提高聚合物的力學(xué)性能，電性能和熱穩(wěn)定性，獲得一種密度小，強(qiáng)度高，吸波效果好的新型吸波材料。

2石墨烯/聚合物納米復(fù)合材料制備

（1）石墨烯/聚合物納米復(fù)合材料的制備。

近年來(lái)，石墨烯粒子在聚合物基體中的納米分散開(kāi)發(fā)為材料科學(xué)領(lǐng)域開(kāi)辟了一條新途徑。這些納米雜化材料表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，并且這些納米雜化材料都不能通過(guò)傳統(tǒng)的復(fù)合材料或原始聚合物獲得。聚合物/石墨烯納米復(fù)合材料的反應(yīng)機(jī)理取決于聚合物的極性，石墨烯/石墨和溶劑，分子量，疏水性，活性基質(zhì)等。有三種主要的合成方法。

①原位聚合。這種聚合方法的優(yōu)點(diǎn)是填料顆粒更均勻地分散在聚合物基體中，并且所制備的納米復(fù)合材料中填料顆粒與聚合物之間的相互作用力較大，這有利于壓力轉(zhuǎn)移。缺點(diǎn)是引入石墨烯后復(fù)合體系的粘度增加，使得聚合反應(yīng)更為復(fù)雜，操作更加困難。

②溶液混合。這種方法基于溶劑體系，但溶劑去除是關(guān)鍵問(wèn)題。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)所需的插入聚合物具有極低的極性，甚至沒(méi)有極性。這種方法使用的有機(jī)溶劑會(huì)污染環(huán)境。

③熔體混合。這是制備熱塑性納米復(fù)合材料的常用方法。它不適用于吸附或原位聚合物聚合，可用于此方法。

（2）石墨烯填充聚合物基納米復(fù)合材料一系列納米填料如膨脹石墨，碳納米管和碳納米纖維廣泛用于制備聚合物復(fù)合材料。然而，更多關(guān)注改性石墨烯聚合物復(fù)合材料。

3石墨烯/聚合物復(fù)合材料的應(yīng)用及展望

3.1應(yīng)用

無(wú)論在理論上還是實(shí)驗(yàn)研究上，石墨烯都具有很大的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值，在生物醫(yī)學(xué)，電極材料，光電傳感器等方面顯示出了很大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。隨著研究的深入，石墨烯及其衍生物在聚合物基復(fù)合材料的應(yīng)用上顯示出更大的潛力，主要表現(xiàn)在增強(qiáng)機(jī)械性能，提高光電性能，電熱性能，提高熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性等方面。目前，石墨烯/聚合物復(fù)合材料已有相關(guān)專利，其應(yīng)用包括能源和催化劑。可以看出，石墨烯為制備輕質(zhì)，低成本和高性能復(fù)合材料提供了一種新方法。

3.2展望

石墨烯是一種聚合物納米填料，具有優(yōu)異的綜合性能。其獨(dú)特的碳原子單層結(jié)構(gòu)使聚集層狀硅酸鹽優(yōu)異的氣體阻隔性能和碳納米管良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性成為可能。廣泛用于聚合物基納米復(fù)合材料。雖然石墨烯基納米復(fù)合材料的合成和應(yīng)用起步較晚，但取得了很大進(jìn)展。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)真正的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用還存在許多問(wèn)題和挑戰(zhàn)：制備具有可控結(jié)構(gòu)和尺寸以及層數(shù)的高質(zhì)量石墨烯及其衍生物；如何有效地將石墨烯及其衍生物分散在聚合物基體中；如何改善石墨烯與聚合物基體之間的界面作用，這些都是需要解決的問(wèn)題和困難。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，石墨烯作為納米填料填充在一系列聚合物體系中，通過(guò)研究歸納總結(jié)出的石墨烯聚合物復(fù)合材料的性能數(shù)據(jù)，可以為開(kāi)發(fā)新型聚合物/石墨烯納米復(fù)合材料的研究者提供一些借鑒和指導(dǎo)。

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