石墨烯的特性及应用前景

石墨烯的制备、结构、特性及应用前景

班级：热能082

姓名：陆时杰

学号：10084621

致乔文明老师：

乔老师这课讲的很有意思，我虽然是学热能与动力工程的，但是我对这些新型材料很有兴趣，尤其是它在航空航天和军事等领域的应用。在上这个课之前我就知道多孔碳材料可用用来做雷达波的吸收材料，像现在一些民用器材，比如汽车、自行车。鱼竿等等，都有采用碳纤维材料，不但重量很轻，而且强度很大。就是目前市场上这种材料的商品价格往往高的离谱，买不起啊！不过在上这个课还是收获蛮多的，对碳材料有了更深入的认识，就拿石墨烯来说，以前就是听过这玩意很坚固，其他方面的东西还真不知道，通过这门课了解到它的性质和其他的一些用途。我记得曾今美国有位老师问他的学生地球上的石油多少年能用完，他的学生立刻开始了计算。这时这位老师说，永远都用不完。这时因为每当一种材料面临枯竭的时候人类就会找到其替代品。现在看来是这样，这些碳材料在未来锁发挥的作用将会非常巨大。

但就是每次一讲到这些碳材料的制备和一些条件云云，就听不懂了，因为不是学化工的，对里面好多专业术语不了解，而且还是英文的，不查字典基本就瞎了。不过对这课的兴趣，还是满浓厚的。

废话不扯了，下面该到正题了，因为引用了很多文献，也不确定里面有些东西的正确性，如有问题，请老师指正。

前言

碳材料(如炭黑、煤炭、石墨、金刚石) 几乎和人类一样历史悠久。20 世纪60 年代以来陆续从聚丙烯腈中得到了碳纤维,由化学分解烃蒸气而产生的热解碳以及来自于非石墨化程序的玻璃状碳等新型碳材料,这些新型碳材料与传统石墨电极、碳黑和活性炭等碳材料有着不同的结构和特性。在20 世纪70 年代,出现了针型焦碳、新型微珠,生长蒸气型碳纤维,高密度各向同性石墨,碳纤维加强型混凝土、碳分子筛、金刚石- C 和其他新型碳材料。富勒烯(C60) 和纳米碳管的发现更是开启了一个与光滑石墨层碳材料为基础的碳材料完全不同的世界。新碳材料的发展促进了碳科学的新发展,这使重新构造C-C 键,观察杂化轨道(SP + 2π,SP2 +π和SP3) 成为一种趋势。

1、纳米碳材料的定义

传统的纳米材料把组成相或晶粒结构控制在100 纳米以下的长度尺寸的材料称为纳米材料。但从碳材料的生产控制因素和特征关键点,我们可以将纳米碳材料定义为:在纳米状态下对碳原子的大小和结构进行有效控制而产生的碳材料。这种定义将大小和结构放在了相同的地位,这就更容易解释纳米碳材料的多样性,除了富勒烯和纳米碳管外还有其他更多的材料。传统碳大多数依靠天然产生不同大小和结构的微晶或孔,并且仅其中一部分(碳黑)为纳米碳材料。比较而言,在纳米碳材料发展中,由于我们已掌握了纳米大小和纳米结构的一重或双重控制技术,因此在许多新型碳材料中产生了纳米碳材料。新型碳材料发展中至关

重要的因素,不仅仅受纳米大小的控制,而且受纳米状态下结构的控制。在这种认识指导下,将有利于我们对纳米碳材料的研究。

2、决定纳米碳材料性质的因素

在碳材料的生产中,主要的控制因素包括传统的和新型的方法。它们都表现出了在碳化过程中的优势聚合体、工艺条件和关键结构或最终产品的特性。

3、纳米碳材料的应用研究

目前应用的主要纳米碳材料是石墨烯、碳黑、C60 、纳米碳管。由于对纳米碳管的特性了解比较深入,因此基于纳米碳管的应用研究和产业化研究成为目前的主流。

下面，论文将就纳米碳材料中的一种——石墨烯做具体介绍，将对石墨烯的制备、结构、性能及其应用前景做一个概述。

正文

石墨烯是一种二维晶体，最大的特性是，其中电子的运动速度达到了1000m/s，大概是光速光速的1/300，这远远超过了电子在其他导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”，的性质和相对论性的中微子（中微子又译作微中子，是轻子的一种，是组成自然界的最基本的粒子之一）非常相似。

石墨烯独特而完美的结构使它具有优异的电学、力学、热学和光学等特性，

例如石墨烯具有100倍于硅的超高载流子迁移率、高达130GPa的强度、很好的柔韧性和近20%的伸展率、超高热导率、高达2600m2/g的比表面积，并且几近透明，在很宽的波段内光吸收只有 2.3%。这些优异的物理性质使石墨烯在射频晶体管、超灵敏传感器、柔性透明导电薄膜、超强和高导复合材料、高性能锂离子电池和超级电容器等方面展现出巨大的应用潜力。

石墨烯是单层原子厚度的石墨，具有二维蜂窝状网格结构。各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列也保持结构稳定。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于石墨烯片平面内π轨道的存在，电子可在晶体中自由移动，使得石墨烯具有十分优异的电子传输性能。由于石墨烯具有优异的导电性，自2004年被英国曼彻斯特大学研究组发现后，不断有新的成果被报道。其中包括发现石墨烯和PMMA较大热膨胀系数差别是产生周期性褶皱原因，这些周期性褶皱会影响石墨烯的电学性质。科学家发现石墨烯是一种“透明”的导体，可以用来替代现在的液晶显示器件的ITO透明电极。纳米材料石墨烯，因其具有很多特殊性质，比如零能隙，反常的量子霍耳效应，朗道量子性等，吸引了国内外学者从凝聚态电子结构、输运性质到相对论的研究等众多方面的研究兴趣。虽然石墨烯刚刚被发现不久，目前也已经有了一定的应用领域，但是制备石墨烯的方法都比较复杂，整个工艺过程很难控制，且只能生产少量的石墨烯纳米薄膜。虽然石墨烯作为工程材料具有很大的应用前景，然而如何有效方便地制备出高质量二维石墨烯纳米薄膜是发展研究和应用的关键所在。因此，应寻找一种快速的、可控的高质量石墨烯纳米薄膜的制备工艺。

一、石墨烯的制备方法

目前，石墨烯的制各手段通常可以分为两种类型，化学方法和物理方法。物理方法，是从具有晶格完备性的石墨或者类似的材料来获得，获得的石墨烯尺度都在80 mTl以上。而化学方法是通过小分子的合成或溶液分离的方法制备的，得到石墨烯尺度在10 nm以下。

物理方法包括：机械剥离法、取向附生法、加热SiC法、爆炸法；

化学方法包括：石墨插层法、热膨胀剥离法、电化学法、化学气相沉积法、氧化石墨还原法、球磨法。