石墨烯复合材料的制备及其性能研究进展

石墨烯复合材料的制备及其性能研究进展论文题目:石墨烯复合材料的制备及其性能研究进展学生姓名:学号：院（系）：化工与制药工程系专业班级：指导教师：职称：201年月I石墨烯复合材料的制备及其性能研究进展摘要:石墨烯以其优异的性能和独特的二维结构成为材料领域研究热点。本文综述了石墨烯的制备方法并分析比较了各种方法的优缺点,简单介绍了石墨烯的力学、光学、电学及热学性能。基于石墨烯的复合材料是石墨烯应用领域中的重要研究方向,本文详细介绍了石墨烯聚合物复合材料和石墨烯基无机纳米复合材料的制备及应用，以及石墨烯复合材料的展望。关键词:石墨烯;制备;性能;复合材料IIResearchProgressonPreparationandpropertiesofgraphenecompositematerialsAbstract:Graphenehasbecomeahotresearchfieldofmaterialforitsexcellentperformanceanduniquetwo-dimensionalstructure.Thispapersummarizesthemethodforpreparinggrapheneandcomparedtheadvantagesanddisadvantagesofvariousmethods,introducesthemechanics,grapheneoptical,electricalandthermalproperties.Compositematerialsbasedongrapheneisanimportantresearchdirectioninthefieldofapplicationofgraphene,thispaperintroducesthepreparationandapplicationofgraphenepolymercompositesandgraphenebasedinorganicnanocompositematerial,andtheprospectofgraphenecompositematerials.Keywords:graphene;preparation;properties;compositematerialsIII目录前言.......................................................................................................................11石墨烯简介............................................................................................................21.1石墨烯的发展....................................................................................................21.2石墨烯的基本性质............................................................................................22石墨烯复合材料制备............................................................................................42.1石墨烯/无机纳米复合材料..............................................................................42.1.1石墨烯与金属化合物复合............................................................................42.1.2石墨烯-其他金属化合物复合....................................................................62.1.3石墨烯-非金属材料复合.............................................................................72.2.1石墨烯/聚苯胺(PANI)复合材料................................................................82.2.2石墨烯/聚乙烯复合材料.............................................................................82.2.3石墨烯/聚苯乙烯复合材料.........................................................................83石墨烯复合材料的应用........................................................................................93.1.石墨烯在聚合物复合材料中的应用..............................................................93.1.1对聚合物力学性能的改善...........................................................................9参考文献.................................................................................................................121前言石墨烯自2004年被发现以来,就引起了材料科学家的广泛关注,在世界范围内掀起了石墨烯材料的制备和应用研究的热潮。石墨烯是sp2杂化的碳原子形成的单原子层厚度，排列成二维蜂窝状的晶体。其优异的物理和化学性质、较大的表面积和较低的制备成本，比较适宜应用于功能性复合材料的开发。复合材料是以一种材料为基体，添加一种或一种以上其它材料组合而成的材料。各种组成材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料，从而满足不同的应用需求。石墨烯复合材料是以石墨烯为基体，在其中添加聚合物或其它无机材料而形成的复合材料。在制备以及应用研究中，石墨烯复合材料可以分为：石墨烯/聚合物、石墨烯/无机材料等二元复合材料以及石墨烯/无机材料/聚合物三元复合材料等。石墨烯复合材料的应用前景比较广泛，比如应用于传感器、储能、催化和电极材料等领域。21石墨烯简介1.1石墨烯的发展石墨烯的理论研究已有60多年的历史。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫采用简单的“微机械剥离法”首先在实验中成功地从石墨中分离出二维结构的石墨烯[1-3]，从而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料中的开创性实验”而共同获得2010年诺贝尔物理学奖。1.2石墨烯的基本性质石墨烯作为单原子层的二维石墨晶体模型，基础结构都是sp2碳材料，被认为是富勒烯、碳纳米管和石墨的基本结构单元。石墨烯作为一种新型的纳米材料，它具有一些特殊优异的性质，如大的比表面积、高机械强度以及超强的电子传导能力。石墨烯由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子组成，是世界上最薄的二维材料，其厚度仅为0.335nm。结构完整的石墨烯是由不含任何不稳定键的苯六元环组合而成的二维晶体，化学稳定性高，表面呈惰性状态，与其它介质如溶剂等的相互作用较弱，并且由于石墨烯片与片之间有较强的范德华力的作用，使其容易产生聚集难溶于水及常化用的有机溶剂，对于进一步研究和应用有一定的限制。因此对石墨烯进行一定程度的功能并将其溶解于特定的溶液中，可以实现石墨烯的功能化利用和性质的发挥。在0.1mol/L的pH=7的PBS缓冲液中测试石墨烯修饰电极的电化学性质，发现它有比单纯的石墨电极、玻璃碳电极以及金刚石电极都要优异的电化学性质，主要表现在通过交流阻抗谱测得的电阻明显低于其它碳材料；通过循环伏安法测得的曲线出现了明显的氧化还原峰，并且氧化还原峰电流与扫描频率的平方根有明显的线性关系，这表明通过石墨烯修饰电极上的氧化还原过程可以实现特定物质的检测。1.3石墨烯的结构石墨烯(Graphene)是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料。这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335nm，只有头发的20万分之一，是形成其他维数碳材料（如零维的富勒烯、一维的纳米碳管和三维的石墨等）的基本单元具有极好的结晶性及电学性。完美的石墨烯是二维的，只包括六角元胞（等角六边形），但在实际情况下不免有缺陷的存在，这些缺陷的地方就会不再是碳六元环而是五元环或七元环等。这些少3量存在的碳五元环可以使得石墨烯发生卷曲，再和其他的碳六元环卷曲形成的圆柱一起组成封闭的一维碳纳米管；十二个碳五元环和一定的碳六元环就会一起组成富勒烯。1.4石墨烯性能简介1.4.1光学性能(1)石墨烯具有优异的光学性能。(2)理论和实验结果表明，单层石墨烯吸收2.3%的可见光，即透过率为97.7%。(3)从基底到单层石墨烯、双层石墨烯的可见光透射率依次相差2.3%。1.4.2电学性能(1)石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道电子形成一个大键，电子可以自由移动，赋予石墨烯优异的导电性。(2)电子在石墨烯中传输时不易发生散射，迁移率可达200000cm2/(V*s)，约为硅中电子迁移率的140倍，其电导率可达104S/m，是室温下导电性最佳的材料。(3)石墨烯的导电性可通过化学改性的方法进行控制，并可同时获得各种基于石墨烯的衍生物。(4)双层石墨烯在一定条件下还可呈现出绝缘性。1.4.3力学性能(1)石墨烯是已知材料中强度和硬度最高的晶体结构。(2)其抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1TPa。(3)石墨烯的强度极限为42N/m2.。1.4.4热学性能(1)石墨烯的室温热导率约为5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，是室温下铜的热导率的10倍多。(2)石墨烯的理论比表面积可达2630m2/g。42石墨烯复合材料制备石墨烯具有优异的导电、导热和力学性能，可作为制备高强导电复合材料的理想纳米填料，同时分散在溶液中的石墨烯也可和聚合物单体相混合形成复合材料体系，此外石墨烯的加入使复合材料多功能化，不但表现出优异的力学和电学性能，且具有优良的加工性能，为复合材料提供了更广阔的应用领域。但是结构完整的石墨烯是由不含任何不稳定键的苯六元环组合而成的二维晶体，化学稳定性高，其表面呈惰性状态，与其他介质（如溶剂等）相互作用较弱，且石墨烯片与片之间存在较强的范德华力，容易产生团聚，使其难溶于水和常用有机溶剂，限制了石墨烯的进一步研究和应用。而氧化石墨烯表面含有大量的含氧官能团，如羟基、羧基等，这些官能团使得改性石墨烯成为可能。石墨烯氧化物是大规模合成石墨烯的起点，也是实现石墨烯功能化的最为有效的途径之一，可通过将氧化石墨烯作为新型填料来制备功能聚合物纳米复合材料来实现，以改善纳米复合材料的力、热、电等综合性能。目前研究的石墨烯复合材料主要有石墨烯/聚合物复合材料和石墨烯/无机物复合材料两类，其制备方法主要有共混法、溶胶－凝胶法、插层法和原位聚合法。2.1石墨烯/无机纳米复合材料将无机材料分散到石墨烯纳米片表面制成石墨烯/无机纳米复合材料,无机纳米粒子的存在可使石墨烯片层间距增加到几个纳米,从而大大减小石墨烯片层之间的相互作用,使单层石墨烯