石墨烯聚合物复合材料的研究现状和发展趋势

③：电学性能
石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速 的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。 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 石墨烯的导电机理：由于石墨烯所有原子均参与了离域， 所以其整个片层上下两侧电子都可以自由移动。并且由于共 价单键的稳定性，石墨烯不会出现某位置碳原子的缺失或被 杂原子替换，保证了大π键的完整性，电子在其中移动时不 会受到晶体缺陷的干扰，得以高速传导，因此石墨烯有着超 强的导电性。
石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的二 维原子晶体，其特殊的结构决定了它具有奇特的电学性能 优异的物理机械性能热学性能以及气体阻隔性能，且其原 料来源丰富，价格低廉，是电磁屏蔽材料抗静电涂料导电 涂料导热膏热驱动形状记忆聚合物阻燃聚合物材料及气体 阻隔聚合物复合材料的理想填料 随着石墨烯/聚合物复合 材料研究的不断深入，石墨烯在聚合物中的应用范围必将 不断扩大，在制备轻质低成本且具有高性能的复合材料方 面将进一步发挥其潜力 但由于结构完整的石墨烯在聚合 物中分散性差，与聚合物的相互结合作用弱，影响了其各 种优异性能的发挥，因此石墨烯的分散仍将是未来需要重 点解决的问题之一。
小组成员：张帅、Leabharlann Baidu含、陆瑞瑞、 蔡虹、谢偏、冯帆。
于2004年，曼彻斯特大学和俄国切尔诺戈洛夫卡微电子 理工学院的两组物理团队共同合作，首先分离出单独石 墨烯平面[11]。海姆和团队成员偶然地发现了一种简单 易行的制备石墨烯的新方法。他们将石墨片放置在塑料 胶带中， 折叠胶带粘住石墨薄片的两侧，撕开胶带，薄 片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越 来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构 成——他们制得了石墨烯。
(1)：研究1=业化机械剥离GO制备氧化石墨烯，为后续的深加工提供稳 定优质的原材料。 (2)：通过化学还原或热处理对单片剥离的氧化石墨烯迚行脱氧、还原 使之重石墨化恢复其导电结构，以高效的化学方式实现导电石墨烯的制备， 使之可大规模用于信息电子等领域。 (3)：制备以石墨烯为纳米填料的力、电、热增强复合材料及自组装的 大面积导电纸状材料以及这些材料的应用研究。同时埘氧化石墨烯表面改性 以满足其与多种基体的复合。我国石墨矿产的资源储量大，质量优，产量和 出口均居世界首位。但相关的石墨深加工技术却较为落后。加大研发力度， 提高产品附加值已迫在眉睫。在GO、氧化石墨烯和石墨烯的相关研究已取得 突破性迚展的今天，这方面尤其值得国内科技界予以关注；相_芙部门应投入 一定的经费与力量加大研究与开发的力度，使石墨烯及其复合材料能尽早应 用于国民经济的各部门。
①：热性能
石墨烯具有出色的热稳定性。一般说来，单质的热稳定性与构成 单质的化学键牢固程度成正比。石墨烯正是由于其中键能非常强的 碳六元环的存在，使得其热稳定性在高温下结构应该是保持不变的。 因此石墨烯有耐高温的特性，其热稳定性很好。
②：力学性能
石墨烯是人类已知强度最高的物质。由于石墨烯由单原子层构成， 其比表面积极其大，理论计算值高达2 310 m2/g。研究人员使用原子 尺寸的金属和钻石探针对石墨烯进行穿刺，测试其强度，让科学家 震惊的是，石墨烯的强度高达 130 GPa，比世界上最好 的 钢 铁 还 高 100 倍，比 高 强 碳 纤 维 还 高 20倍。
层状结构 热性能
良好的储氢材料 太阳能集热材料
光 子 传 感 器
导电性
力学性能
代替硅生产超级计算机 太空梯
薄得像纸一样的iPhone概念手机 可折叠的显示器
太 空 梯
人之一戈登· 摩尔提出），芯片的集成度（集成 搭载在长征系列火箭上发射升空的。火箭的发 电路上可容纳的晶体管数目）每18个月提高一 射虽然只有短短的数分钟的时间，却耗费着大 倍，即加工线宽缩小一半。但是硅材料的加工 量的人力物力，成本及其高昂。因此人们一直 极限一般认为是10纳米线宽。受物理原理的制 小尺寸效应，当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意 氢气是一种清洁高效的新能源，然而氢气的储运难题一直 以来都在寻找一种更为廉价的太空探索方案。 约，采用目前的工艺和硅基半导体材料来延长 波长等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的 制约着这种它的发展和推广。一定的条件下，储氢材料吸 摩尔定律寿命的发展道路已逐渐接近终点。 于是，一种名为“太空梯”的方案进入了人们的视线。 边界条件将被破坏，导致声、光、电、磁、热、力 附氢气量和其比表面积成正比。石墨烯拥有质量轻、高化
良好的储氢材料 根据半导体业着名的摩尔定律（由英特尔创始 前不久我国刚刚发射了嫦娥二号探月卫星，是
学等特性呈现新的物理性质。对超微颗粒而言，尺 学稳定性和高比表面积的优点。希腊大学设计了新型3D 寸变小，同时其比表面积却显着增加。 碳材料,孔径尺寸可调,他们将其称为石墨烯柱。当这种新 型碳材料掺杂了锂原子或钙原子后储氢量是镧镍金属化合 代替硅生产超级计算机 物的436倍和581倍，载氢能力的差距十分明显。
谢
谢 欣
赏！
导电性：热性能 导 耐热性能： 物理机械性能： 气体阻隔性能：
石墨烯优异的热传输性能可应用于微型电子设备的热管理， 石墨烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯复合 如导热膏、热驱动形状记忆聚合物等 无缺陷的石墨烯对所有气体分子都具有不可渗透 石墨烯具有优异的物理机械性能，比起现有的 材料的渗流阈值为0.47%，当石墨烯体积分数为 石墨烯在聚合物基体中可限制聚合物链的流动性，在燃 性质，当石墨烯均匀分散在有渗透性的聚合物基 炭质填料，如炭黑碳纤维碳纳米管，石墨烯用 烧过程中，阻燃性的各向异性石墨烯形成碳层网络，阻 3.0%时，复合材料的电导率达到2.11S/m 研究发现，氧化石墨烯的加入可使环氧树脂的热膨胀系数 体中，可以增加扩散路径长度，降低聚合物的透气性 碍降解产物的逸出，因此石墨烯/聚合物复合材料可用 于增强聚合物材料更具有优势 ( CTEs) 明显降低，填充量为质量分数5%的氧化石墨烯可 作阻燃材料 石墨烯/聚( 3，4－乙撑二氧噻吩) 新型复合 使聚合物的4 8 4 合 成 橡 胶 工 业 第34卷CTEs下降 材料具有优良的导电性，10nm的薄膜电导 31.7%，热导率是聚合物基体的4倍，但对玻璃化转变温 率为0.2S/m 度没有造成不利影响
与单罐碳纳米管(SWCNT)类似，石墨烯具有热、力、电等优异 的性能。但聚合物分子不易进入SWCNT内表面，而氧化石墨烯巨 大的比表面积和表面丰富的官能团赋予其优异的复合性能，在经 过改性和还原后可在聚合物基体中形成纳米级分散，从而使石墨 烯片在改变聚合物基质的力学、流变、可渗透性和降解稳定性等 方面具有更大的潜力。另外，由于氧化石墨烯成本低廉，原料易 得，因而比SWCNT更具竞争优势。目前同外已有氧化石墨烯／聚 合物复合材料的相关专利报道，应朋领域涵盖了能源行业的燃料 电池用储氢材料，合成化学工业的微孔催化剂载体，导电塑料， 导电涂料以及建筑行业的防火阻燃材料等方面。今后估汁在以下 三方面将成为石墨烯材料应用研究的热点：