石墨烯介绍

1石墨烯概述-结构及性质

1.1 石墨烯的结构

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接形成的单原子层二维晶体，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中，如图1所示。每个碳原子除了以σ键与其他三个碳原子相连之外，剩余的π电子与其他碳原子的π电子形成离域大π键，电子可在此区域内自由移动，从而使石墨烯具有优异的导电性能。同时，这种紧密堆积的蜂窝状结构也是构造其他碳材料的基本单元，如图2所示，单原子层的石墨烯可以包裹形成零维的富勒烯，单层或者多层的石墨烯可以卷曲形成单壁或者多壁的碳纳米管。

图1 石墨烯的结构示意图

图2石墨烯：其他石墨结构碳材料的基本构造单元，可包裹形成零维富勒烯，卷曲形成一维

碳纳米管，也可堆叠形成三维的石墨

1.2石墨烯的性质

石墨烯独特的单原子层结构，决定了其拥有许多优异的物理性质。如前所述，石墨烯中的每个碳原子都有一个未成键的π 电子，这些电子可形成与平面垂直的π轨道，π 电子可在这种长程π 轨道中自由移动，从而赋予了石墨烯出色的导电性能。研究表明室温下载流子在石墨烯中的迁移率可达到15000cm2/(V·s)，相当于光速的1/300，在特定条件，如液氦的温度下，更是可达到250000cm2/(V·s)，远远超过其他半导体材料，如锑化铟、砷化镓、硅半

导体等。这使得石墨烯中的电子的性质和相对论性的中微子非常相似。并且电子在晶格中的移动是无障碍的，不会发生散射，使其具有优良的电子传输性质。同时，石墨烯独特的电子结构还使其表现出许多奇特的电学性质，比如室温量子霍尔效应等。由于石墨烯中的每个碳原子均与相邻的三个碳原子结合成很强的σ 键，因此石墨烯同样表现出优异的力学性能。最近，哥伦比亚大学科学家利用原子力显微镜直接测试了单层石墨烯的力学性能，发现石墨烯的杨氏模量约为1100GPa，断裂强度更是达到了130GPa，比最好的钢铁还要高100 倍。石墨烯同样是一种优良的热导体。因为在未掺杂石墨中载流子密度较低，因此石墨烯的传热主要是靠声子的传递，而电子运动对石墨烯的导热可以忽略不计。其导热系数高达5000W/(m·K), 优于碳纳米管，更是比一些常见金属，如金、银、铜等高10 倍以上。除了优异的传导性能及力学性能之外，石墨烯还具有一些其他新奇的性质。由于石墨烯边缘及缺陷处有孤对电子，使石墨烯具有铁磁性等磁性能。由于石墨烯单原子层的特殊结构，使石墨烯的理论比表面积高达2630m2/g。石墨烯也具备独特的光学性能，单层石墨烯在可见光区的透过率达97%以上。这些特性使石墨烯在纳米器件、传感器、储氢材料、复合材料、场发射材料等重要领域有着广泛的应用前景。

图3 石墨烯的应用

2石墨烯聚酯复合材料的制备方法

由于石墨烯优异的性质以及低的成本，石墨烯作为聚合物纳米填料被广泛报道。为了获得优异性能的聚合物/石墨烯复合材料，首先要保证石墨烯在聚合物基体中均匀分散。石墨烯的分散与制备方法、石墨烯表面化学、橡胶种类以及石墨烯-橡胶界面有着密切关系。聚合物/石墨烯复合材料的制备方法主要有溶液共混、熔体加工、原位聚合和乳液共混四种方法。

2.1 溶液共混法

溶液共混法主要是采用聚合物本身聚合体系的有机溶剂,充分分散石墨烯于体系中，随着体系聚合反应进行，最后石墨烯均匀分散并充分结合于聚合物基体中，得到石墨烯/聚合物复合材料的一种方法。通常先制备氧化石墨烯作为前驱体,对其进行功能化改性使之能在聚合体系溶剂中分散，还原后与聚合物进行溶液共混，从而制备石墨烯/聚合物复合材料。通过溶液共混制备复合材料的关键是将石墨烯及其衍生物均匀分散在能溶解聚合物的溶剂中。

2.2 熔体共混法

熔体共混法也称为机械混合法，是指将石墨烯、配合剂在开炼机或密炼机中与聚合物进行机械混炼制备聚合物/石墨烯复合材料的方法。该方法在机械剪切力下分散填料，不需要溶剂，工艺流程简单且成本低，是目前工业上制备聚合物复合材料的主要方法。虽然熔体共混法方便，但因为聚合物粘度大，加工困难，且石墨烯片层间范德华力强，所以石墨烯很难剥离并均匀分散在聚合物中，而且在熔体共混过程中高剪切力会打碎石墨烯片层。另外，通常采用的石墨烯为热膨胀制备的石墨烯，其表观密度小，导致加料困难。

2.3 原位聚合

原位聚合就是先将石墨烯或其衍生物溶解在可聚合单体或齐聚物中，然后引发聚合。该方法可均匀地将石墨烯分散在聚合物中，而且提供强的聚合物-石墨烯界面作用。目前，通过原位聚合制备石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯，聚丙烯,聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚酰胺，聚氨酯等复合材料已被报道。按反应机理可分为自由基引发聚合，缩聚，原子转移自由基聚合。

2.4 乳液共混

乳液混合法,主要是利用水性溶剂及采用表而活性剂对石墨烯进行表而改性,以得到分散性良好的石墨烯,再将石墨烯分散液与反应性单体进行乳液聚合而制备石墨烯/聚合物复合材料的办法。这种方法可以避免有机溶剂的危害,制得高导电性能的聚合物复合材料。

3石墨烯聚酯复合材料的应用前景

石墨烯的独特性能及其巨大的潜在应用价值一开始就引起了各国政府和相关企业的普遍关注．美国、欧盟、英国、法国、韩国等已投入巨资开展石墨烯的基础研究并对石墨烯产业进行培育．中国近年也将石墨烯列入国家重点基础研究发展计划(973 计划)和国家高技术研究发展计划(863计划)，进行重点支持．2006 年，XG sciences 公司在美国密执根州注册，它是国际上首个以石墨烯产业化作为专门目标的企业．随后，国内也有多个石墨烯相关的公司成立．2010 年5 月，厦门凯纳石墨烯技术有限公司成立，致力于石墨烯的规模生产及石墨烯在聚合物领域应用的解决方案．2011 年以来，国内数十家石墨烯相关企业如雨后春笋般冒出，一些地方还组成了石墨烯联盟;无锡、常州、青岛、宁波等地陆续成立了石墨烯相关的研究院、产业园，并发布支持石墨烯产业的相关优惠政策;各研发单位也纷纷发起以石墨烯产业为目标的石墨烯高技术论坛．2012 年以来一些石墨烯企业逐渐被资本市场追捧，加剧了石墨烯产业的资金凝聚，更激发了各研发机构对石墨烯产业的研发热情．2013年7月14日，“中国石墨烯产业技术创新战略联盟”在北京成立．“联盟” 成立以来，在石墨烯原材料资源的整合、标准化的制定、测试平台的建设、知识产权信息的共享以及石墨烯的生产、应用研发、技术交流等相关方面开展了大量工作，并在国内与国际的交流、地方政府与研发机构及企业的关系、石墨烯产业园的建设、学术、产业论坛的组织与协调工作中提供了有力的支持．由此，石墨烯的产业化进程进入了相对有序的发展阶段．从2004 年的发现到如今研究热点、产业热点的形成，短短的10 年间，石墨烯已