石墨烯复合材料的制备、性能与应用.doc

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1、石墨烯复合材料的制备、性能与应用摘要：石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体，包括富勒烯、碳纳米管、石墨在内的碳的同素异形体的基本组成单元。自2004年首次报道独立存在的石墨烯以来，它在力学、热学、电学、光学等方面的优异性能，使之成为近年来化学，材料科学及物理学领域的研究热点。但是石墨烯具有不易大量制备，宏观以聚集态形式存在的缺点。此外，由于其特殊的二维晶体结构，高的纵横比及高的电子迁移率使其在储能领域具有广阔的应用前景，但其在储能领域的应用范围及储能机理还有待进一步拓展与考察。通过物理或者化学改性的方法将石墨烯应用于聚合物

2、基复合材料的力学增强方面也具有重要的学术价值。关键词：石墨烯制备性能应用前景1.引言石墨烯是2004年以来发现的新型电子材料石墨烯是sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。在单层石墨烯中，碳碳键长为0.142nm，厚度只有0.334nm。石墨烯是构成下列碳同素异型体的基本单元：例如：石墨，碳纳米管和富勒烯。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。石墨烯在电子和光电器件领域有着重要和广阔的应用前景【1】正因为如此，石墨烯的两位发现者获得了2010年的诺贝尔物理学奖。石墨烯是一种没有能隙的半导体，具有比硅高1

3、00倍的载流子迁移率(2×105cm2／v)，在室温下具有微米级自由程和大的相干长度，因此石墨烯是纳米电路的理想材料。石墨烯具有良好的导热性[3000W／(m·K)]、高强度(110GPa)和超大的比表面积(2630mZ／g)。这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及复合材料等领域有光明的应用前景1.1石墨烯特性1.1.1电子运输　　在发现石墨烯以前，大多数（如果不是所有的话）物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以，它的发现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结

4、构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层石墨烯在实验中被制备出来。这些可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。这个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量”。1.1.2导电性石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入

5、外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。　　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，或更准确地，应称为“载荷子”，的性质和相对论性的中微子非常相似。石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。1.1.3机械特性石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。研究人员发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前

6、，它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。1.1.4化学性质我们至今关于石墨烯化学知道的是：类似石墨表面，石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。从表面化学的角度来看，石墨烯的性质类似于石墨，可利用石墨来推测石墨烯的性质。石墨烯化学可能有许多潜在的

7、应用，然而要石墨烯的化学性质得到广泛关注有一个不得不克服的障碍：缺乏适用于传统化学方法的样品。这一点未得到解决，研究石墨烯化学将面临重重困难。2.制备2.1石墨烯，一种由单层厚度碳原子紧密堆积而成成的二维蜂窝状品格的新型碳材料【2】，由于其在不同领域的潜在的巨大的应用价值【3】，近年来已经吸引了科研人员极大的兴趣和关注度。如何将石墨烯与其它材料复合，增加他们的相容性是一个亟需解决的科研课题。制备性能优异的基于石墨烯的复合材料不仅需要开发一种大规模化制备石墨烯的方法，同时需要将石墨烯均匀地分散于其他的基体材料中【4】。2．2石墨烯

8、一聚苯乙烯复合材料的制备2．2.1氧化石墨烯(GoNS)和石墨烯(GNS)的制备氧化石墨(GO)采用改性的Hummers方法制备。约1g天然鳞片石墨和0．5g硝酸钠加入到70ml的浓硫酸中(冰浴中进行)，然后加入KMn04，电磁搅拌反应2h，随后加入水稀释，再加