石墨烯/聚合物纳米复合材料的制备与性能研究

王静文

摘 要 本文对石墨烯及其聚合物纳米复合材料的研究进展进行了综述。首先概述了石墨烯的不同制备方法及石墨烯的共价与非共价改性途径。然后重点总结了石墨烯/聚合物纳米复合材料的常用制备方法及其机械性能、导电性、导热性、耐热性及阻隔性能。最后，对该领域所存在的问题进行了总结，并展望了其发展趋势。

关键词 石墨烯 聚合物纳米复合材料 制备与性能

中图分类号：TQ325.14 文献标识码：A

0前言

石墨烯的理论研究始于1947年，迄今为止已有60多年的历史。但真正能够独立存在的二维石墨烯晶体则是出现于2004年：英国曼彻斯特大学的Geim研究小组采用机械剥离法首次制备出稳定的石墨烯，由此掀起一股研究石墨烯的热潮。

1石墨烯及其基本性质

石墨烯是周期性排列碳原子的二维蜂窝材料。其晶体结构示于图1中。石墨烯的每个晶胞由两个碳原子组成，并且碳-碳原子间距为0.142nm。碳原子通过SP2杂交键合。每个碳原子的三个SP2轨道与相邻三个碳原子的SP2轨道结合形成强%l键。晶体的晶体结构彼此重叠以形成%i共轭体系，石墨烯独特的二维结构赋予其优异的性能。石墨烯具有极高的机械强度（130GPa），优异的导热性和较大的比表面积。其载流子迁移率高达15000cm2·V-1·S-1，并且还具有室温量子效应。霍尔效应和室温铁磁性等特殊性能。与碳纳米管相比，石墨烯的主要性能指标具有可比性甚至更好，石墨烯来源丰富，成本低廉，易于批量生产。

目前，石墨烯的制备方法主要包括机械剥离法，化学气相沉积法，氧化石墨还原法，外延生长法，有机合成法等。其中，氧化石墨还原法简单，成品率高，应用广泛。在用氧化石墨还原法制备的石墨烯中，残留缺陷和基团不仅可以提高阻抗匹配性能，还可以促进电子向费米能级的转变，并且缺陷可以放松微波的极化，小组发电给微波炉。偶极子放松，所以石墨烯具有更好的微波吸收特性。

与石墨和碳纳米管相比，采用氧化石墨还原法制备的氧化石墨具有更好的微波吸收能力，甚至超过优质石墨烯。它是一种理想的吸波材料。石墨烯与聚合物的复合物可以提高聚合物的力学性能，电性能和热稳定性，获得一种密度小，强度高，吸波效果好的新型吸波材料。

2石墨烯/聚合物纳米复合材料制备

（1）石墨烯/聚合物纳米复合材料的制备。

近年来，石墨烯粒子在聚合物基体中的纳米分散开发为材料科学领域开辟了一条新途径。这些纳米杂化材料表现出优异的性能，并且这些纳米杂化材料都不能通过传统的复合材料或原始聚合物获得。聚合物/石墨烯纳米复合材料的反应机理取决于聚合物的极性，石墨烯/石墨和溶剂，分子量，疏水性，活性基质等。有三种主要的合成方法。

①原位聚合。这种聚合方法的优点是填料颗粒更均匀地分散在聚合物基体中，并且所制备的纳米复合材料中填料颗粒与聚合物之间的相互作用力较大，这有利于压力转移。缺点是引入石墨烯后复合体系的粘度增加，使得聚合反应更为复杂，操作更加困難。

②溶液混合。这种方法基于溶剂体系，但溶剂去除是关键问题。该方法的主要优点是反应所需的插入聚合物具有极低的极性，甚至没有极性。这种方法使用的有机溶剂会污染环境。

③熔体混合。这是制备热塑性纳米复合材料的常用方法。它不适用于吸附或原位聚合物聚合，可用于此方法。

（2）石墨烯填充聚合物基纳米复合材料一系列纳米填料如膨胀石墨，碳纳米管和碳纳米纤维广泛用于制备聚合物复合材料。然而，更多关注改性石墨烯聚合物复合材料。

3石墨烯/聚合物复合材料的应用及展望

3.1应用

无论在理论上还是实验研究上，石墨烯都具有很大的科学意义和应用价值，在生物医学，电极材料，光电传感器等方面显示出了很大的应用优势。随着研究的深入，石墨烯及其衍生物在聚合物基复合材料的应用上显示出更大的潜力，主要表现在增强机械性能，提高光电性能，电热性能，提高热稳定性和机械稳定性等方面。目前，石墨烯/聚合物复合材料已有相关专利，其应用包括能源和催化剂。可以看出，石墨烯为制备轻质，低成本和高性能复合材料提供了一种新方法。

3.2展望

石墨烯是一种聚合物纳米填料，具有优异的综合性能。其独特的碳原子单层结构使聚集层状硅酸盐优异的气体阻隔性能和碳纳米管良好的导热性和导电性成为可能。广泛用于聚合物基纳米复合材料。虽然石墨烯基纳米复合材料的合成和应用起步较晚，但取得了很大进展。同时，实现真正的大规模工业应用还存在许多问题和挑战：制备具有可控结构和尺寸以及层数的高质量石墨烯及其衍生物；如何有效地将石墨烯及其衍生物分散在聚合物基体中；如何改善石墨烯与聚合物基体之间的界面作用，这些都是需要解决的问题和困难。

4结束语

综上所述，石墨烯作为纳米填料填充在一系列聚合物体系中，通过研究归纳总结出的石墨烯聚合物复合材料的性能数据，可以为开发新型聚合物/石墨烯纳米复合材料的研究者提供一些借鉴和指导。

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