石墨烯在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用

高瑞方

摘?要：隨著近幾年石墨烯的研究進(jìn)展，在復(fù)合材料領(lǐng)域石墨烯扮演的角色越來越重要。目前我國的企業(yè)和高校的合成材料平臺正在依托于我國豐富的天然石墨烯資源而進(jìn)行廣泛的探索，而且提出了石墨烯在復(fù)合材料領(lǐng)域的研究方向。由于石墨烯擁有光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)等特性，因而在材料、能源、生物醫(yī)學(xué)等方面有著非常好的應(yīng)用前景，本文針對石墨烯在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：石墨烯;負(fù)荷材料;應(yīng)用

一、石墨烯的制備技術(shù)

目前我們國家在研究石墨烯生產(chǎn)方法時(shí)主要有兩個(gè)方向，分別是物理法制備和化學(xué)法制備。利用微機(jī)械剝離法能夠得到高質(zhì)量的石墨烯，但是由于此種方法處理出來的石墨烯通常尺寸較小，應(yīng)用范圍不廣闊因此并不適合大規(guī)模生產(chǎn)，目前比較適用的還是化學(xué)方法，化學(xué)方法總共分為兩種，一種是化學(xué)氣象沉積法，這種方法通常是用Ni，Ru等一些過度金屬來做基底，在利用甲烷和乙烯等一些小分子來高溫氣態(tài)的條件下發(fā)生一些化學(xué)反映，在基底層可以生長出石墨烯，這種方法目前主要用來制備墨烯薄膜，但是由于使用過渡金屬作為基底，成本相對比較高。另外一種則是使用化學(xué)還原的方法，通常采用濃硫酸和發(fā)煙硝酸等強(qiáng)酸將天然石墨來進(jìn)行氧化處理，得到氧化物之后在進(jìn)行還原，這樣能夠得到石墨烯。這種方法制備的石墨烯微片會有一定的含氧官能團(tuán)，可以與樹脂等高分子基體進(jìn)行結(jié)合，而且結(jié)合能力很強(qiáng)，通常適合制備高分子復(fù)合材料。

二、石墨烯在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用

（一）聚合物基復(fù)合材料

目前很多專家學(xué)者利用了石墨烯的獨(dú)特性質(zhì)來將石墨烯作為納米填料分散在聚合物或無機(jī)基質(zhì)中，而且取得了不錯(cuò)的效果。目前很多研究集中在聚合物基體上，在抗拉強(qiáng)度、電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)上都有了很大程度的提高。但是由于石墨烯是一種很新的材料，因此目前在該領(lǐng)域的研究仍然處于起步的階段，還存在著一些問題等待解決。石墨烯和傳統(tǒng)的填料相比有很大的優(yōu)勢，比如其機(jī)械性和傳輸性能會大大增加，雖然傳統(tǒng)的碳納米管也具有這樣的特性，但是石墨烯在二維形狀、單原子厚度和邊緣原子上的應(yīng)用有非常巨大的優(yōu)勢。目前石墨烯被用在一些仿生復(fù)合材料上，這是一個(gè)新興的領(lǐng)域，使用碳纖維和石墨烯來增強(qiáng)一些功能，通過一些試驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)石墨烯的片層化多功能表面，這是下一代柔性電子產(chǎn)品的理想材料。

（二）陶瓷基復(fù)合材料

陶瓷材料在我國應(yīng)用比較廣泛，而且有著悠久的歷史，從工程的角度來講陶瓷材料有著很多非常好的性質(zhì)。比如陶瓷的耐火性，陶瓷可以在溫度大于600℃的條件下仍然能夠保持材料的強(qiáng)度和硬度，但是在陶瓷材料應(yīng)用的過程中其低韌性是比較大的缺點(diǎn)。想要增加陶瓷的韌性就要加入第二種材料，在石墨烯技術(shù)未得到應(yīng)用時(shí)用的是含纖維復(fù)合材料或碳納米管-陶瓷復(fù)合材料，這種材料具有導(dǎo)電性，但是由于陶瓷的硬度強(qiáng)韌性低的特點(diǎn)使得這種材料的加工成本相當(dāng)高。通過一系列的科學(xué)認(rèn)證，可以將石墨烯應(yīng)用在陶瓷材料上，做成石墨烯/陶瓷復(fù)合材料，這種材料有著比較明顯的韌性和導(dǎo)電性。與碳納米管相比，石墨烯陶瓷復(fù)合材料成本和商業(yè)利用率相對比較低，工藝條件并不嚴(yán)格，這算是一個(gè)比較大的優(yōu)勢。

（三）化學(xué)改性石墨烯的復(fù)合材料

利用化學(xué)合成可以創(chuàng)造出一種新型的二維形狀的材料，在用石墨烯片作為模版，利用固定在石墨烯襯底上的有機(jī)或無機(jī)粒子來制造更復(fù)雜和功能更強(qiáng)的二維材料，這樣不僅僅能夠避免了納米材料的聚集，還能夠提高電導(dǎo)率。目前很多科學(xué)家已經(jīng)找到了一些方法通過化學(xué)改性來提高這種復(fù)合材料的性能。為了整合其獨(dú)特的性質(zhì)，科學(xué)家已經(jīng)對石墨烯和無機(jī)納米材料的二維納米復(fù)合材料開展了研究。其中一種方法是用石墨烯和已經(jīng)制備好的無機(jī)納米粒子進(jìn)行組裝，另外一種則是無機(jī)納米粒子在石墨烯表面的原位生長，目前這兩種方法是比較常用的方法，很多科學(xué)研究也基于這兩種方法來進(jìn)行技術(shù)上的探索。

（四）光子聚合物復(fù)合材料

隨著我國科技的發(fā)展，光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的需求可謂是越來越大，光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需要滿足性能標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)濟(jì)要求的光子元件，需要利用新的技術(shù)提高產(chǎn)量同時(shí)降低成本，而且還要有很高的性能。光通信系統(tǒng)需要光源和探測器，但是傳統(tǒng)的一些光學(xué)元件操作非常不方便，而且對于失調(diào)非常敏感，很容易發(fā)生一些不穩(wěn)定的狀態(tài)，而這些問題的存在確實(shí)制約了光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，如何解決這些問題科學(xué)家們非常煩惱，而所有的這些問題都能夠在集成光學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行避免。目前科學(xué)家們聚焦的技術(shù)難題是要開發(fā)一種嵌入石墨烯的光學(xué)和電子功能的新型聚合物光電器件，這些器件如果實(shí)現(xiàn)將會帶來很大的改革。這些器件不僅僅在光學(xué)通信領(lǐng)域會得到很廣闊的應(yīng)用，而且會在生物醫(yī)療儀器，化學(xué)分析儀器，顯微鏡和外科手術(shù)等等領(lǐng)域得到很大范圍的應(yīng)用，這樣的應(yīng)用會給很多技術(shù)領(lǐng)域帶來質(zhì)的改變，會有很好的應(yīng)用前景。正因?yàn)槿绱?，目前很多科學(xué)家也在石墨烯的新型光子聚合物上扎根研究，希望得到比較好的應(yīng)用結(jié)果，這也是很多科學(xué)家的主要研究方向。當(dāng)然光聚合物復(fù)合材料還有很多技術(shù)難題等待被解決，也有很多人目前對這種技術(shù)是否可行存在著一些質(zhì)疑，但是每一次技術(shù)的變革都會引起人們的廣泛猜測，但是猜測和質(zhì)疑并不能影響科學(xué)家們的腳步，在科研的道路上往往質(zhì)疑會成為前進(jìn)的動力。

三、結(jié)語

目前雖然有很多專家和學(xué)者已經(jīng)對石墨烯復(fù)合材料進(jìn)行了大量的科學(xué)試驗(yàn)研究，但是石墨烯復(fù)合材料的應(yīng)用還需要一定的時(shí)間。當(dāng)然目前有一些復(fù)合材料已經(jīng)有一定的技術(shù)成熟度，并且已經(jīng)開始用于商業(yè)水平和大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用，相信未來會有越來越多的復(fù)合材料投入到市場之中，為我國的科技發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

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