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1、石墨烯/聚合物复合材料的研究现状及前景摘要：石墨烯是问世的一种具有单原子厚度的二维蜂窝状晶体构造的新型纳米材料，其特殊的构造赋予了它许多新颖的物理性质，如优秀的力学性能，良好的导电和导热性能，和极佳的复合材料增强性能，石墨烯作为纳米增强组分, 少量添加可以使聚合物的热学、力学、电学等物理性能得到大幅地提高。因此其应用领域广泛，受到广大学者科学家的注重。本文重要简介聚合物复合材料的界面构造，石墨烯构造和界面，石墨烯/聚合物复合材料的实现和应用以及对将来发展前景的展望。(9、12、13、17)核心词：石墨烯、聚合物复合材料、界面相容性、材料改性、力学性能、电学性能、热学性能，应用。Present
2、situation and prospect in Graphene/polymer composites.Zhang Shuai Shi Han 、 Lu Ruirui、 Cai Hong 、Xie Pian Feng FanAbstract: Graphene discovered in is a atomic two-dimensional(2D) nanomaterials. Due to its unusual molecular structure ,graphene shows many novels ,unique physical and chemical propertie
3、s ,such as excellent electric conductivity ,thermal conductivity ,thermal stability.Graphene as nano enhanced components, a small amount of added can make polymer thermal, mechanical, electrical and other physical properties are improved significantly.So its application field widely, have drawn the
4、attention of the many scholars scientists.This paper mainly introduces the interface structure of polymer composite materials, graphene structure and interface, implementation and application of graphene/polymer composites as well as on the outlook for the future development prospect.Key words: Grap
5、hene,Polymer composite materials Material modification、Mechanical properties、Electrical performance、Thermal properties、application.一：石墨烯/聚合物的研究现状自年石墨烯发现以来，石墨烯的研究成果层出不穷，其中涉及，生活领域，医用领域，电化学领域等。但其中也只是仅仅在实验室研究萌芽之中，具体的应用以及工厂化生产等等还要等待有关理论的进一步发展。因此，对于石墨烯的性质的更深层次的理解是必不可少的。石墨烯是杂化的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格构造的炭材料，这是目前世
6、界上最薄的即单原子厚度的材料，并且有着许多潜在的应用。15石墨烯具有优秀的力学、热学和电学性能：强度达，比钢高倍，是 目 前 强 度 最 高 的 材 料；热 导 率 可 达0，是金刚石的倍；石墨烯载流子迁移率高达，是商用硅片的倍 以 上。石 墨 烯 还 有 超 大 的 比 表 面 积（）室温量子霍尔效应和良好的铁磁性，是目前已知的在常温下导电性能最佳的材料，电子在其中的运动速度远超过一般导体，达到了光速的。由于石墨烯具有上述优秀的性能，有望在微电子、能源、信息、材料和生物医药等领域具有重大的应用空间。1.石墨烯的构造石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维窝状晶格构造的碳质材料，它可看做是构建其她维数
7、碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元二维层状（a）二维片状（b）（图）。年就有理论指出石墨烯是石墨的构成单元，但自由态的二维晶体构造始终被觉得其热力学性能是不稳定的，不能在一般环境中独立存在。直到年，曼彻斯特大学等从石墨上剥下少量石墨烯单片并研究其电学性能，发现其具有特殊的电子特性以及优秀的力学、电学、光学、热学和磁学性能，从而掀起了石墨烯应用研究的热潮。13：热性能石墨烯具有杰出的热稳定性。一般说来，单质的热稳定性与构成单质的化学键牢固限度成正比。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构造应当是保持不变的。因此石墨烯有耐高温的特性，其热稳定
8、性较好。18：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，比世界上最佳 的 钢 铁 还 高 100 倍，比 高 强 碳 纤 维 还 高 20倍。哥伦比亚大学的研究人员发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每 100 nm 距离上可承受的最大压力居然达到了大概 2. 9 N。据科学家们测算，这一成果相称于要施加 26 N 的压力才干使 1 m长的石墨烯断裂。18：电学性能石墨烯的导电性能非常优秀。马里兰大
9、学纳米技术 和 先 进 材 料 中 心 的 物 理 学 教 授 Michael SFuhrer 领导的科研小组的实验表白，石墨烯的电子迁移率不随温度而变化。她们在 50 K 和 500 K之间测量了石墨烯的电子迁移率，发现无论温度怎么变化，电子迁移率大概都是150 000 cm2/(Vs)，而硅的电子迁移率为1 400 cm2/(Vs)，其电子迁移速度比硅快 100 多倍。此外，石墨烯的氧化物与干净的石墨烯相比又体现出迥异的电子构造，研究计算显示随着石墨烯表面吸氧量的增长，石墨烯从零带隙的半金属将转变为半导体，完全氧化后则变为绝缘体，石墨烯氧化物经还原后可以转变为导体。因此，石墨烯的氧化过程可
10、以实现对石墨烯电子构造的调变。通过溶液分散的石墨烯氧化物也可以和聚合物等其她材料相混合并形成复合材料体系，体现出优秀的电学性能。因而石墨烯是将来的半导体材料抱负的替代品，极有也许替代硅，以推动微电子技术继续向前发展。182.石墨烯的制备石墨烯/ 聚合物复合材料要想真正实现工业化应用, 石墨烯的大规模、低成本、可控的合和制备是首要问题。目前制备石墨烯的措施重要涉及 4 种: ( 1) 微机械分离法; ( 2) 外生长法; ( 3) 化学气相沉积法; ( 4) 氧化石墨烯还原法。其中, 微机械分离法制得的石墨烯产量少, 不适合工业大规模应用。外延生长法和气相沉积法可以制备大面积、高质量的石墨烯,
11、非常适合基本研究以及在电子领域的应用, 但目前的生产规模难以达到满足制备石墨烯/ 聚合物复合材料的需求。目前已经成功实现大规模生产石墨烯的措施是氧化石墨烯还原法。123.石墨烯/聚合物复合材料的界面和石墨烯的表面改姓显然，对于石墨烯的性能研究为其在复合材料的应用提供了有利的科学根据，和必要的实验措施及数据。但是聚合物复合材料的界面性质和石墨烯界面的良好相容性，和石墨烯在聚合物复合材料中均匀的分散是决定石墨烯/聚合物复合材料应用的核心性问题。A：石墨烯的界面性质及改性为了充足发挥石墨烯的优良性质改善其成型加工性一般通过引入特定的官能团对石墨烯进行有效的功能化改性进一步拓宽其应用领域 功能化改性的
12、措施重要有共价键功能化和非共价键功能化两种 其中共价键功能化重要是依托氧化石墨烯中的羟基和羧基等官能团 得到具有大量的羟基和羧基的改性石墨烯 而非共价键功能化中离子键功能化和氢键功能化 也是依托氧化石墨烯中的羟基和羧基与其她物质的作用 那么功能化的石墨烯可以在水以及有机溶剂中获得较好的溶解性非常适合于制备高性能的聚合物复合材料。1a 非共价键功能化石墨烯有实验合成具有6个羟基的三亚苯衍生物然后通过氧化还原引起体系合成了星型聚丙烯腈聚合物SPAN 见图1 最后在星型聚丙烯腈的NN-二甲基甲酰胺溶液DMF中用水合肼还原氧化石墨得到均一稳定的溶液。从SEM照片中可以清晰看到见图3 未吸附聚合物的石墨
13、烯是光滑的片层构造 而吸附聚合物之后的石墨烯由于表面覆盖着聚合物片层变厚但和纯石墨烯比较片层已经不太明显浮现的团状物或柱状物为聚合物中三亚苯构造自组装后形成的 这进一步证明了星型聚丙烯腈已成功吸附到石墨烯的表面。1b 共价键功能化石墨烯结合高效率重氮盐加成和Kumada催化-转移缩聚反映KCTP 聚3-己基噻吩P3HT 被共价接枝在石墨烯 GN 表面 形成聚合物分子刷P3HT-GN 通过重氮盐偶合反映溴苯分子一方面被共价连接在氧化还原措施制备的GN表面由此锚固的NiPPh3 4随后引起3-己基噻吩的催化-转移聚合原子力显微和热失重分析成果表白接枝在GN表面的P3HT分子刷厚度约为5nm 质量分
14、数为20.1% 当假设P3HT以伸直链构象接枝在GN表面时 估计的接枝密度为每6.53nm2 具有1个P3HT链链间平均距离为2.266nm2 石墨烯对聚合物性能影响。1B：聚合物复合材料的界面及其构造 a 界面与界面相构造聚合物基复合材料一般是由纤维增强体或无机填料增强体或功能体与聚合物基体所构成的两相或多相复合材料在复合材料制备过程中给定的热学化学和力学条件下形成了构造和性质有别于基体和增强体的界面区 复合材料的界面是一种涉及着两相之间过渡区域的三维界面相在该区域物质的微观构造和性质与增强体不同也与基体有区别因而另成一相或几相常称为界面相 从构造来分这一界面相由个亚层构成如图所示 每一亚层
15、的性能均与基体和增强体的性质偶联剂的品种和性质复合材料的成型措施等密切有关。4b 界面与界面相对复合材料导热性能的影响复合材料的界面是涉及着两相之间过渡区域的三维界面相是复合材料在热化学和力学环境下形成的微构造界面层的存在一般会导致界面效应的产生界面效应可以归纳为类分割效应一种持续体被分割成许多区域每个区域的尺寸中断强度分散状况等会对基体的力学性能产生影响不持续效应在界面上引起物理性质的不持续性和界面摩擦浮现的现象如电阻介电特性磁性耐热性尺寸稳定性等散射和吸取效应光波声波热弹性波冲击波等在界面产生的散射和吸取如透光性隔热性隔音性耐冲击性及耐热冲击性等感应效应在界面上产生的感应效应特别是应变内应力和由此浮现的现象 高的弹性低的热膨胀性耐冲击性和耐热性等填充型导热绝缘高分子的热导率取决于高分子和导热填料的协同作用 分散于聚合物基体中的导热填料有粒状片状球形纤维等形状 按照常规的填充方式填充量较小时填料颗粒一般都是分散于聚合物基体中填料颗粒与聚合物基体之间的界面结合强度一般状况下都比较弱会导致热流方向上热阻很大导致材料导热性能很差 近年来运用新发现的具有超高热导率不小于 的单壁碳纳米管与环氧聚酰亚胺聚偏氟乙烯进行复合并没有获得预期的高热导率 等在中加入体积分数为的其热导率也仅达到 吉元等采用扫描热显微镜研究了
