張偉

摘要：石墨烯擁有特殊的二維結(jié)構(gòu)，自身性能也比較優(yōu)良，正成為近年來材料領(lǐng)域研究的熱門。其中，石墨烯復(fù)合材料屬于當前石墨烯重點的研究課題。本文就石墨烯復(fù)合材料主要類型、制備、應(yīng)用進行簡單的介紹，以供參考。

關(guān)鍵詞：石墨烯;復(fù)合材料;制備;性能

石墨烯屬于一種原子晶體，由英國科學(xué)家于2004年制備出來的。迄今為止它屬于人類已知的最薄材料，厚度僅為0.3354nm。由于獨特的單原子層結(jié)構(gòu)以及新奇的物理特性使石墨烯成為近年來材料學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。伴隨可化學(xué)修飾石墨烯的出現(xiàn)，由于成本低廉人們可生產(chǎn)出各種石墨烯復(fù)合材料。本文就石墨烯復(fù)合材料最新研究進展進行論述。

1、石墨烯的概述

這種物質(zhì)是單層碳原子構(gòu)成的，結(jié)構(gòu)為二維型，也是制備其它維石墨材料的主要材料。它能夠包裹構(gòu)成零維富勒烯，卷起來構(gòu)成一維碳納米管，通過層層堆積可構(gòu)成三維石墨。其主要體性就是獨特的載流子特性。它是當前發(fā)現(xiàn)的電阻率最低的材料，其內(nèi)部電子運輸時具有非常強的抗干擾性能，若為室溫條件，它的電子遷移率非常大，大于15000cm2/（V.S）。對于單層石墨烯來說，載流子遷移率極少受到化學(xué)摻雜與溫度的干擾。此外，它還具有一些特殊的物理性能，包括室溫下的量子霍爾效應(yīng)、較長的電子平均自由路徑、較強的熱傳導(dǎo)性與機械強度等。石墨烯的生產(chǎn)成本便宜，加之比表面積較大，非常適合開發(fā)高性能復(fù)合材料。

2、石墨烯/無機復(fù)合材料

石墨烯/無機納米復(fù)合材料的制備原理是在石墨烯納米片表面分散無機材料。這種復(fù)合材料中石墨烯片層距離變大，原因還是無機納米粒子的影響，進而使石墨烯片層間的相互作用變小。這樣就能保留下單層石墨烯的特有性質(zhì)。為阻礙石墨烯片發(fā)生團聚，可通過無機納米粒子對石墨烯片進行修飾。由此得到的復(fù)合材料繼承了石墨烯以及納米粒子的特性，而且也能形成新的協(xié)同效應(yīng)，應(yīng)用價值較高。

2.1石墨烯與金屬復(fù)合

制備這種復(fù)合材料只需把金屬納米粒子分散于石墨烯片上。它繼承了石墨烯比表面積較大的特性，多用作催化劑載體。同時，該材料的特有電子性能也有助于提高催化劑活性。目前，主要的負載金屬包括金、銀、鈀、鉑等。這些復(fù)合材料比金屬本身性能更優(yōu)，而且也能減少貴金屬的用量，具有極高的經(jīng)濟價值。

2.2石墨烯與金屬化合物復(fù)合

這類石墨烯復(fù)合材料多用于超級電容器、鋰電池、光催化等領(lǐng)域。與金屬氧化物復(fù)合，常見的包括與二氧化鈦（TiO2）復(fù)合，TiO2作為常見半導(dǎo)體材料，價格便宜、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、催化活性好、無毒、反應(yīng)條件溫和，可以清除水與大氣中的污染物。因此，它成為解決環(huán)境與能源問題的最佳材料，主要用于太陽能電池、傳感器、光催化等行業(yè)。清華大學(xué)李景虹等人通過水熱法合成了TiO2：（P25）/石墨烯復(fù)合材料，對染料的吸附性極強，同時，對光吸收范圍也進一步擴展[1]。石墨烯與氧化鋅（ZnO）復(fù)合，ZnO的光學(xué)性能與電性能較好，而且UV光譜吸收區(qū)間較寬，被廣泛用于發(fā)光二極管、太陽能電池、相關(guān)氣敏元件等領(lǐng)域。同時，ZnO對有毒化學(xué)物質(zhì)具有高敏感性，可判定有無有毒化學(xué)物質(zhì)存在，然后對其予以降解。Park等經(jīng)過研究獲得了一種新復(fù)合材料，即石墨烯/ZnO納米棒陣列的復(fù)合材料，這種材料能夠輕易地被轉(zhuǎn)移至其它基底上[2]。

2.3石墨烯與非金屬材料復(fù)合

Yan等人制備出石墨烯納米片/碳黑復(fù)合材料，采用的方法是超聲波與原位還原法。研究顯示，經(jīng)處理后納米片邊緣部分表面可見大量碳黑離子匯集，經(jīng)過原位還原后這些離子在納米片的基部聚集。相對于純石墨烯材料，這種復(fù)合材料具有更好的電化學(xué)性能[3]。因此，逆電流器可由碳黑粒子扮演，可以保證該復(fù)合材料的納米通道高的電化學(xué)利用。石墨烯/碳黑可用于制作超級電容器，當掃描速率是10mV/s時，比電容為175F/g，而純石墨烯材料的只有122.6F/g。另外，當循環(huán)次數(shù)為6000次后其電容量僅減少了少部分，僅減少了最初電容量的9.1%?？梢?，石墨烯/碳黑這種材料在超級電容領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。

3、石墨烯與聚合物的復(fù)合

由于石墨烯與不同聚合物的復(fù)合作用存在差異，可將石墨烯聚合物復(fù)合材料劃分為下列三種：

3.1石墨烯填充聚合物復(fù)合材料

在選取填充物時，石墨烯通?？捎糜诖嫣技{米管，其復(fù)合材料制備主要受到兩大因素的影響，分別是分散性、與聚合物基體的相互作用。目前，這類材料的制備手段包括原位聚合、溶液混合、熔融共混等。其中，溶液混合法所獲得復(fù)合材料具有良好的分散性，而且力學(xué)性能也非常好。不過此法的缺陷在于分散液成本較高，且無法獲得單層石墨烯分散液。相較之下，熔融共混法更具優(yōu)勢，不僅可以獲得質(zhì)量更好的復(fù)合材料，而且簡單經(jīng)濟。但是很多工業(yè)級的聚合物具有高粘度的特點，在石墨烯/工程塑料復(fù)合材料生產(chǎn)領(lǐng)域難以大量推廣。原位聚合法則沒有這一局限性。Huang等人通過原位聚合法獲得的聚烯烴/石墨烯納米復(fù)合材料，具有良好的導(dǎo)電性能，電導(dǎo)率高達163.1S/m[4]。

3.2功能化聚合物復(fù)合材料

這類復(fù)合材料是由石墨烯與相關(guān)衍生物所制備而成的，經(jīng)過聚合物修飾作用，利用共價或非共價功能所形成。就石墨烯衍生物來說，它的共價功能通常在聚合物官能團以及氧化石墨烯表面的含氧官能團上發(fā)生反應(yīng)。在有反應(yīng)的共價界面上能夠改良復(fù)合材料的一些特性，包括力學(xué)性能、熱學(xué)性能。Wang等人研究獲得功能化石墨烯環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，共價功能化的石墨烯界面讓該復(fù)合材料的抗拉強度增加了45%[5]。

3.3層狀石墨烯聚合物復(fù)合材料

將相關(guān)聚合物、石墨烯衍生物進行復(fù)合處理后，就能獲得層狀結(jié)構(gòu)的材料。該復(fù)合材料多用于下列行業(yè)：光伏器件、定向負載承重膜生產(chǎn)。

參考文獻

[1]李琳，李剛.石墨烯復(fù)合材料的研究進展[J].科技信息，2012，（36）：63-64.

[2]J.M.Lee，Y.B.Pyun，J.Yi，J.W.Choung，W.I.Park.ZnO nano-rod-graphene hybrid architectures for multifunetional conductors.The Journal of Physical Chemistry C.2009，113（44）：19134-19138.

[3]Yan J，Wei T，Shao B，et a1.Electro chemical properties of graphene nanosheet/carbon black composites as electrodes for supercapacitors[J].Carbon ，2010，48 （6 ） ： 1731—1737.

[4]Huang Qin Y，Wang N，et a1.Reduction of graphite oxide with a grignard reagent for facile in situ preparation of Electrically conductive polyolefin/graphenenano composites.Macromo1.Chem.Phws.2012，213（7）： 720 - 728

[5]Wang X，Xing W，Zhang et a1.Covalent functionalization of graphene with org anosilane and its use as a reinforcement in epoxy composites.Compos.Sci.Techno1.2 012 ，72 （6 ） ： 737- 743