高分子石墨烯纳米复合材料的前沿与趋势

石墨烯聚合物纳米复合材料的前沿与趋势

聚合物与其他塑料结合形成混纺纤维，与滑石粉及云母混合形成填充系统，和与其他非均质加固物进行模型挤压生产复合材料和杂化材料。这种简单的“混合搭配”方法使得塑料工程师们能够利用聚合物团生产一系列能够控制极端条件的有用的材料。在这种方法中最后加入的事石墨烯------人们早就了解到它的存在但是知道2004年才被制备与鉴定出的碳单原子层。英国曼彻斯特大学的Andre K.Geim和Konstantin S.Novoselov因为分离出碳单原子层而被授予诺贝尔物理学奖。他们的成就导致了聚合物纳米材料的蓝图发生了变化。人们已经长期熟知碳基材料，像金刚石，六方碳和石墨烯。但是聚合物纳米材料研究团体重新燃起的热情主要由于石墨烯可与塑料结合的特性以及它来自于廉价的先驱体。石墨烯的性价比优势在纳米复合材料、镀膜加工、传感器和存储装置的应用上正挑战着碳纳米管。接着，这些只能被想象出来的应用将会出现。事实上，Andre Geim说过“石墨烯对于它的名字来说就是一种拥有最佳性能的非凡的物质。”这能够在目前大量发表的文献中可以看出。石墨烯为什么能够这样引起人们的兴趣呢？本篇综述尝试去处理在石墨烯纳米复合材料新兴潮流中所产生的这类问题。这个工作的范围被石墨烯聚合物纳米复合材料（GPNC）研究员提出期望的发展潜力进行了拓展。

神奇的石墨烯

石墨烯被频繁引用的性能是它的电子传输能力。这意味着一个电子可以在其中不被散射或无障碍地通行。石墨烯的电子迁移率可达到20000cm2/Vs，比硅晶体管高一个数量级。一片最近的综述表明，以改良样品制备的石墨烯，电子迁移率甚至可以超过25000cm2/Vs。石墨烯是否缺少禁带以及大量合成纯石墨烯是否可行只有将来的研究可以解释。目前，非凡的电子传导性能使得石墨烯居于各类物质之首。所以，利用石墨烯代替硅作为基质的可能性将指日可待。虽然石墨烯的电子传导能力要比铜高得多，但是其密度只有铜的1/5。文献中大量记载了石墨烯的电子传导性能极其影响方面的细节。

由于它固有的特性人们开始对它在纳米复合材料的应用产生了兴趣。据预测，一个单层无缺陷的石墨烯薄膜的抗拉强度要比其他任何物质都要大。事实上，James Hone’s小组已经用原子力显微镜研究了独立的单层石墨烯薄膜的断裂强度。他们测得的平均断裂力为1700nN。他们还发现石墨烯这种物质可以抵挡超高的应力（约25%）。这些测量值使得这个团队计算出无缺陷石墨烯薄片的内在强度为45Nm-1。这儿的内在强度被规定为无缺陷的纯物质在断裂之前所能承受的最大应力。石墨烯如此卓越的是由于它相当于1.0Tpa的杨氏模量。在其他的特性中Paul McEuen和同事们只有一个原子厚度的石墨烯薄膜即可隔绝气体，包括氦气。即石墨烯在实际应用中可作为密闭的微室。石墨烯所表现出的热传导性能要比铜高出很多倍。这就意味着石墨烯能够很容易地进行散热。最近对大块石墨烯薄膜的研究表明其热传导系数是600W/(m.K)。石墨烯另外的一个特性是其具有高的比表面积，计算值为2630m2g-1，而碳纳米管仅为1315m2g-1，这使得石墨烯在储能装置应用上成为一个候选材料。Rod Ruoff’s小组通过改性的石墨烯演示了其具有的超高电容性能。对石墨烯的新奇属性的详细描述随处可见石墨烯与碳纳米管相比有一个截然相反的属性是其不含杂质（不含金属），这对构建可靠的传感器和储能装置来说是一个重要的优势。，更进一步，由于它形状与结构，石墨烯或许有更低的毒性，这也成为目前研究的主题。

独立的纳米材料的这些性质使得物理学家，化学家，和材料学家，不论作为理论学家还是实验学家，都为石墨烯的潜力而感到振奋。然而，最重要的问题是去区分炒作还是现实。

问题不是什么引起了石墨烯的炒作，而是哪一个领域能够从中获益或者怎样去开发其独特的性能。

高分子学家和材料学家通过在聚合物基体中加入石墨烯或者其衍生物合成产品已经走在了前列。通过使用纳米级石墨烯提高强度和硬度就是很好的例子。由于已经分离出了石墨烯，它每年的生产量已经增长到了15吨。最近的报道中指出，石墨烯片晶的商业生产量在两年内有望达到每年200吨。

但是，由石墨构成的石墨烯片材巨大的表面引力。除非这些片材在聚合物基体中被分离或单一隔开，石墨烯纳米复合材料将没有可能实现。这可以在对被剥离出的石墨和碳纳米管所做的实验中可以看出。为了更好的呈现石墨烯聚合物纳米复合材料所面临的挑战以及它的驱动力一篇关于由石墨制得的石墨烯产品的综述获得了权威的关注。

由石墨制得的石墨烯产品

最近的文献描述了几种制备石墨烯的技术，包括利用超临界二氧化碳对石墨进行剥离。每种方法都存在着优缺点。目前利用可伸缩纳米管制备石墨烯的对外开放过程所面临的挑战也在文章中进行了阐述。Kaner et al.评估了石墨烯作为多孔碳的化学性质，历史记录，生产过程和潜在的应用，Ruoff et al.评估了石墨烯材料的制备方法，性能和应用。另外一篇综述着重于氧化石墨烯，超低氧化程度石墨烯，以及石墨烯在水中和有机溶剂中的分散，特别是它的机械性能和电性能。因此，对诺贝尔奖获得者所运用的微机械解理方法制备纯石墨烯的基础学习变得尤为重要。

Geim和Novoselov认为从石墨中生产大量石墨烯并不合适。大规模石墨烯基底设备像气体传感器，超级电容器或电导材料运用化学改性的石墨烯或还原的氧化石墨烯制成悬浮液或分散胶质。后一类石墨烯不是纯净的，因此被称为“有缺陷的石墨烯”。在类似石墨烯的结构中有很多种缺陷。生产方式的本质区别是它生产无杂质石墨烯还是掺杂的石墨烯（结构上或局部解理表面含氧或其他物质）。不纯净的石墨烯的优点在于它的生产成本较低和它的可测量性。但是，不纯净的石墨烯最主要的缺点是它的电子传输能力。换种方式说，杂质在参照聚合物可剥离型是哦西薄片的褶皱表面上形成反应区。结果这将打开其他应用途径。因此，不论是石墨烯的翟亮还是它被预期的应用都决定着其生产过程。

石墨烯是碳经过SP2杂化在二维多空层一个原子厚度的基面。当大量石墨烯在三维空间有规律地进行堆放时，石墨就形成了。石墨在其化学性能上具有特性。它既可以作为氧化剂也可以作为还原剂。由于它在基层之间能够容纳其他物质的嵌入使得人们对它进行了大量的研究。引入插层物质的过程就是被人们所熟知的嵌入。在石墨嵌入式化合物中，石墨烯层如果不改变碳原子的平面度将不会从嵌入物质中获得电子或者为其提供电子。早在1841年，人们就利用钾作为石墨嵌入式化合物的插层物质。当插入层出现后，相邻的石墨烯层面间距会增加。这就导致了其中的范德华力的减小。这个发现使得研究员们可进一步扩大石墨嵌入式化合物的。其一就是利用剥离过程生产单体纳米级石墨烯或石墨烯纳米层。

大量生产石墨烯或石墨烯纳米层的趋势集中在利用化学法对石墨进行剥离。在这个过程中，石墨烯被强氧化剂氧化形成氧化石墨(GO)(类似嵌入式)。这就导致了石墨烯氧化层间的层面间距的增加。很明显，现在所用的氧化方法（或由此改性的）已经发展了50,100,150年。氧化石墨包含了一系列含氧官能团，包括羟基，环氧基团，还有在基底边缘形成的羰基和羧基。这些官能团令氧化石墨层具有高度的亲水性，这就使得它们很快倾向于膨胀，因此很容易分散在水中。在湿度增加时，甚至发现石墨烯片材的层面间距能够可逆地增加6~12埃。利用这个性质，Ruoff’s小组首次演示了利用溶液方法制备1nm厚的单层石墨烯的过程。为了降低其亲水性，可将氧化石墨薄片与有机物异氰酸酯反应。已经通过实验证明了经过异