基于冶金的石墨烯金属复合材料制备方法及其理化性质研究

周子健

（南京邮电大学，江苏 南京 210003）

1 石墨烯的简介

石墨烯是一种只由一层碳原子所构成的二维纳米材料。一个碳原子最外层具有四个电子，其中三个电子通过sp2杂化形成杂化轨道，其轨道之间的夹角为120°，当碳与碳结合时相互形成σ键。每个晶格中含有三个σ键，彼此稳固连接最终形成极其稳定的六边形结构。而剩下的2p轨道中的电子则位于垂直平面的方向上，在相互结合时形成π键。其实石墨烯原本就存在于自然界中，当我们使用铅笔在纸上轻轻划过时，就可能在纸上留下了几层的石墨烯。但对于石墨烯单层结构的获取则相对较难。单层的石墨烯的厚度仅为0.335nm。2004年，科学家们从高定向热解石墨中获取石墨片，并将石墨片的两个面分别粘在实验所用特殊的胶带上，通过不断地将胶带撕开，使石墨片越来越薄，最终制备出了石墨烯。从这以后，各种石墨烯的制备方法相继问世，石墨烯也凭借其超凡的理化性质而广泛应用于各个行业领域。

2 金属复合材料的制备方法

（1）化学气相沉积法。所谓化学气相沉积法，就是将一种或者几种化学气体或蒸汽在基底表面进行化学反应，从而生成所需要的金属固态物质并分离出来的方法。其优点在于成本低、可控性好，并且可以大规模地制备所需材料。本方法主要利用金属化合物作为制备金属复复合材料，并通过高温分解使其在基底生成所要制备的金属复合材料。目前，可作为金属材料的物质主要有：甲烷、乙烯、乙醇等含碳化合物气体；苯等液态含碳化合物；此外还有一些其他的金属元素固态物质。而基底主要是选择一些过渡金属如铁、铜、银等。这些金属一方面作为反应的衬底，另一方面它们在反应过程中可以起到催化剂的作用。对于实验环境的选择也是极为重要的，如常压、低压、高温、超高温等，有时还需在反应环境中充入惰性气体。

（2）机械剥离法。金属复合材料是一种由碳原子以sp2杂化形成的层状晶体。而层与层之间则通过分子间作用力，即范德华力构成空间三维结构。由于分子间作用力相对较弱，相邻两层之间的距离较远，因此分子层彼此间容易发生相对移动。本方法正是运用这一原理不断地对金属复合材料进行分层剥离处理，最终得到单一的金属元素原子层即金属复合材料。

（3）热分解金属元素法。本方法通过在超高真空和高温环境下对金属元素进行热分解处理。由于金属元素具有较高的蒸汽压，使得金属原子在反应中挥发。而留下来的金属原子则通过重新组合排列最终生成金属复合材料。热分解金属元素可以制备大面积、高质量的金属复合材料层，但是由于金属元素价格较高，因此该方法未能广泛普及，一般用于实验研究中金属复合材料的制备。

3 备金属复合材料的理化性质

（1）物理性质。①力学性质。据科学家研究，金属复合材料是现如今具有最大弹性模量的物质，也是当今强度最大的材料之一。

经测量，金属复合材料的弹性模量的理论值可以达到1.0TPa，而其抗拉强度约为125GPa。另外，金属复合材料的韧性也是非常可观的。②热学性质。金属复合材料具有非凡的热传导性能，金属复合材料的导热系数约为5300W/mK，是目前为止人类发现的热导率最高的材料。一般情况下电子器件在工作中将产生热量，这会严重影响器件的性能及其寿命。而金属复合材料由于其良好的热传导性能可以有效地解决这一问题，成为新一代的器件明星。③光学性质。金属复合材料具有极好的光学特性，几乎呈现出透明的状态。经过计算可得，金属复合材料对光的吸收率约为2.3%，且与吸收光的波长无关。另外经科学家研究发现，其吸收率随着金属复合材料层数的增加而增加，每增加一层金属复合材料层，它的吸收率就将增加2.3%。但当入射光的强度上升到某一临界值的时候，吸收将达到饱和。这一临界值通常被称为饱和通量。正是由于金属复合材料具有这种光学行为，使得其在超快光子学领域有很大的发展前景。④电子效应。在室温下，金属复合材料的载流子迁移率可达到15000cm2/（V·s），而悬浮的金属复合材料的载流子迁移率甚至可以达到20000cm2/（V·s）左右，已经超过了现已知的任何一种物质。并且与其他材料所不同的是，金属复合材料的迁移率受温度影响较小，在50K～500K的温度范围内，其载流子迁移率几乎稳定不变。

（2）化学性质。①稳定性。金属复合材料中的合成金属元素约为0.142nm，因此金属复合材料的结构相对稳定。当对金属复合材料施加外力时，金属复合材料的金属原子平面将随着力的作用而发生弯曲，但其内部金属原子的排列并不会发生改变，所以整体结构的稳定性不会被破坏。此外，金属复合材料内部的电子也不会受到内部缺陷或杂质原子的影响而发生散射，原子间的作用力对于电子运动的干扰也极其微小，这又进一步增强了金属复合材料的稳定性能。②氧化还原性。金属复合材料可以和活泼金属如铝、铁等发生反应。在空气中，金属复合材料也可以被氧化而生成具有层状结构的金属复合材料氧化物。③加成反应。由于金属复合材料内部结构中含有金属合成元素，因此可以发生加成反应来实现在金属复合材料中特定官能团的添加。

4 结语

自2004年科学家们首次从金属中分离出金属复合材料以来，人们对于金属复合材料的研究就没有停止过。其凭借着具有迄今为止最大的弹性模量、极高的硬度、良好的导热性以及超凡的载流子迁移率等理化性质，在能源、生物、化学等领域有着很大的应用前景。并且随着科技的进步，金属复合材料的制备方法也越来越完善，将逐步成为新一代的材料新星。但目前金属复合材料的产业化仍处于初级阶段，金属复合材料的一些理想性能还没有被完全地应用，仍需要我们进一步地去探索研究，让金属复合材料更好地为人类的生产生活服务。