石墨烯聚合物復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀及前景論文

1、<p>　　石墨烯/聚合物復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀及前景</p><p>　　皖西學(xué)院材料1102班：2011010373張帥 </p><p>　　2011010355施含 、2011010347陸瑞瑞 、2011010611蔡虹 、 2011010364謝偏 、 2011010336馮帆 </p><p>　　摘要：石墨烯是2004年問(wèn)世的一種具有單原

2、子厚度的二維蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)的新型納米材料，其特殊的結(jié)構(gòu)賦予了它許多新奇的物理性質(zhì)，如優(yōu)異的力學(xué)性能，良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，和極佳的復(fù)合材料增強(qiáng)性能，石墨烯作為納米增強(qiáng)組分, 少量添加可以使聚合物的熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)等物理性能得到大幅地提高。因此其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，受到廣大學(xué)者科學(xué)家的重視。本文主要介紹聚合物復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)，石墨烯結(jié)構(gòu)和界面，石墨烯/聚合物復(fù)合材料的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用以及對(duì)未來(lái)發(fā)展前景的展望。(9、12、13、17)</p&g

3、t;<p>　　關(guān)鍵詞：石墨烯、聚合物復(fù)合材料、界面相容性、材料改性、力學(xué)性能、電學(xué)性能、熱學(xué)性能，應(yīng)用。</p><p>　　Present situation and prospect in Graphene/polymer composites.</p><p>　　Zhang Shuai </p><p>　　Shi Han 、 Lu Rui

4、rui、 Cai Hong 、Xie Pian Feng Fan</p><p>　　Abstract: Graphene discovered in 2004 is a atomic two-dimensional(2D) nanomaterials. Due to its unusual molecular structure ,graphene shows many novels ,unique ph

5、ysical and chemical properties ,such as excellent electric conductivity ,thermal conductivity ,thermal stability.Graphene as nano enhanced components, a small amount of added can make polymer thermal, mechanical, electri

6、cal and other physical properties are improved significantly.So its application field widely, have drawn the attention</p><p>　　Key words: Graphene,Polymer composite materials Material modification、Mechanica

7、l properties、Electrical performance、Thermal properties、application.</p><p>　　一：石墨烯/聚合物的研究現(xiàn)狀</p><p>　　自年石墨烯發(fā)現(xiàn)以來(lái)，石墨烯的研究成果層出不窮，其中包括，生活領(lǐng)域，醫(yī)用領(lǐng)域，電化學(xué)領(lǐng)域等。但其中也只是僅僅在實(shí)驗(yàn)室研究萌芽之中，具體的應(yīng)用以及工廠化生產(chǎn)等等還要等待有關(guān)理論的進(jìn)一步發(fā)展。

8、因此，對(duì)于石墨烯的性質(zhì)的更深層次的了解是必不可少的。石墨烯是ｓｐ２雜化的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的炭材料，這是目前世界上最薄的即單原子厚度的材料，并且有著許多潛在的應(yīng)用。｛15｝石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能：強(qiáng)度達(dá)１３０ＧＰａ，比鋼高１００倍，是 目 前 強(qiáng) 度 最 高 的 材 料；熱 導(dǎo) 率 可 達(dá)５００0Ｗ·ｍ－１·Ｋ－１，是金剛石的３倍；石墨烯載流子遷移率高達(dá)１５０００ｃｍ２·Ｖ

9、－１·Ｓ－１，是商用硅片的１０倍 以 上。石 墨 烯 還 有 超 大 的 比 表 面 積（２６３０ｍ２／ｇ）室溫量子霍爾效應(yīng)和良好的鐵磁性，是目前已知的在常溫下導(dǎo)電性能最好的材料，電子在其中的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)超過(guò)一般導(dǎo)體，達(dá)到了光速的１／３００。由于石墨烯具有上述優(yōu)異的性能，有望在微電子、能源、信息、材料和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用空間。</p><p><b>　　1.石墨烯的結(jié)構(gòu)</b&

10、gt;</p><p>　　石墨烯是碳原子緊密堆積成單層二維窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)材料，它可看做是構(gòu)建其他維數(shù)碳質(zhì)材料（如零維富勒烯、一維納米碳管、三維石墨）的基本單元二維層狀（a）二維片狀（b）（圖１）。１９４０年就有理論指出石墨烯是石墨的組成單元，但自由態(tài)的二維晶體結(jié)構(gòu)一直被認(rèn)為其熱力學(xué)性能是不穩(wěn)定的，不能在普通環(huán)境中獨(dú)立存在。直到２００４年，曼徹斯特大學(xué)</p><p>　　Ｇｅｉｍ等從

11、石墨上剝下少量石墨烯單片并研究其電學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)其具有特殊的電子特性以及優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和磁學(xué)性能，從而掀起了石墨烯應(yīng)用研究的熱潮。｛13｝</p><p><b>　?、伲簾嵝阅?lt;/b></p><p>　　石墨烯具有出色的熱穩(wěn)定性。一般說(shuō)來(lái)，單質(zhì)的熱穩(wěn)定性與構(gòu)成單質(zhì)的化學(xué)鍵牢固程度成正比。石墨烯正是由于其中鍵能非常強(qiáng)的碳六元環(huán)的存在，使得其熱穩(wěn)定性在高溫

12、下結(jié)構(gòu)應(yīng)該是保持不變的。因此石墨烯有耐高溫的特性，其熱穩(wěn)定性很好。｛18｝</p><p><b>　?、冢毫W(xué)性能</b></p><p>　　石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)。由于石墨烯由單原子層構(gòu)成，其比表面積極其大，理論計(jì)算值高達(dá)2 310 m2/g。研究人員使用原子尺寸的金屬和鉆石探針對(duì)石墨烯進(jìn)行穿刺，測(cè)試其強(qiáng)度，讓科學(xué)家震驚的是，石墨烯的強(qiáng)度高達(dá) 130 G

13、Pa，比世界上最好 的 鋼 鐵 還 高 100 倍，比 高 強(qiáng) 碳 纖 維 還 高 20倍。哥倫比亞大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每 100 nm 距離上可承受的最大壓力居然達(dá)到了大約 2. 9 μN(yùn)。據(jù)科學(xué)家們測(cè)算，這一結(jié)果相當(dāng)于要施加 26 N 的壓力才能使 1 m長(zhǎng)的石墨烯斷裂。｛18｝</p><p><b>　?、郏弘妼W(xué)性能</b></p>&l

14、t;p>　　石墨烯的導(dǎo)電性能非常優(yōu)異。馬里蘭大學(xué)納米技術(shù) 和 先 進(jìn) 材 料 中 心 的 物 理 學(xué) 教 授 Michael S．Fuhrer 領(lǐng)導(dǎo)的科研小組的實(shí)驗(yàn)表明，石墨烯的電子遷移率不隨溫度而改變。他們?cè)?50 K 和 500 K之間測(cè)量了石墨烯的電子遷移率，發(fā)現(xiàn)無(wú)論溫度怎么變化，電子遷移率大約都是150 000 cm2/(V·s)，而硅的電子遷移率為1 400 cm2/(V·s)，其電子遷移速度比硅快

15、100 多倍。另外，石墨烯的氧化物與干凈的石墨烯相比又表現(xiàn)出迥異的電子結(jié)構(gòu)，研究計(jì)算顯示隨著石墨烯表面吸氧量的增加，石墨烯從零帶隙的半金屬將轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體，完全氧化后則變?yōu)榻^緣體，石墨烯氧化物經(jīng)還原后可以轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體。因此，石墨烯的氧化過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)石墨烯電子結(jié)構(gòu)的調(diào)變。經(jīng)過(guò)溶液分散的石墨烯氧化物也可以和聚合物等其他材料相混合并形成復(fù)合材料體系，表現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能。因而石墨烯是未來(lái)的半導(dǎo)體材料理想的替代品，極有可能替代硅，以推動(dòng)微電子技術(shù)

16、繼續(xù)向前發(fā)展。｛18｝</p><p><b>　　2.石墨烯的制備</b></p><p>　　石墨烯/ 聚合物復(fù)合材料要想真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用, 石墨烯的大規(guī)模、低成本、可控的合和制備是首要問(wèn)題。目前制備石墨烯的方法主要包括 4 種: ( 1) 微機(jī)械分離法; ( 2) 外生長(zhǎng)法; ( 3) 化學(xué)氣相沉積法; ( 4) 氧化石墨烯還原法。其中, 微機(jī)械分離法制得的石

17、墨烯產(chǎn)量少, 不適合工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用。外延生長(zhǎng)法和氣相沉積法可以制備大面積、高質(zhì)量的石墨烯, 非常適合基礎(chǔ)研究以及在電子領(lǐng)域的應(yīng)用, 但目前的生產(chǎn)規(guī)模難以達(dá)到滿足制備石墨烯/ 聚合物復(fù)合材料的需求?，F(xiàn)在已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的方法是氧化石墨烯還原法。｛12｝</p><p>　　3.石墨烯/聚合物復(fù)合材料的界面和石墨烯的表面改姓</p><p>　　顯然，對(duì)于石墨烯的性能研究為其在復(fù)合

18、材料的應(yīng)用提供了有利的科學(xué)依據(jù)，和必要的試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)。但是聚合物復(fù)合材料的界面性質(zhì)和石墨烯界面的良好相容性，和石墨烯在聚合物復(fù)合材料中均勻的分散是決定石墨烯/聚合物復(fù)合材料應(yīng)用的關(guān)鍵性問(wèn)題。</p><p>　　A：石墨烯的界面性質(zhì)及改性</p><p>　　為了充分發(fā)揮石墨烯的優(yōu)良性質(zhì)改善其成型加工性一般通過(guò)引入特定的官能團(tuán)對(duì)石墨烯進(jìn)行有效的功能化改性進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域 功能化改性的

19、方法主要有共價(jià)鍵功能化和非共價(jià)鍵功能化兩種 其中共價(jià)鍵功能化主要是依靠氧化石墨烯中的羥基和羧基等官能團(tuán) 得到含有大量的羥基和羧基的改性石墨烯 而非共價(jià)鍵功能化中離子鍵功能化和氫鍵功能化 也是依靠氧化石墨烯中的羥基和羧基與其他物質(zhì)的作用 那么功能化的石墨烯可以在水以及有機(jī)溶劑中獲得很好的溶解性非常適合于制備高性能的聚合物復(fù)合材料。｛1｝</p><p>　　a 非共價(jià)鍵功能化石墨烯</p><

20、p>　　有實(shí)驗(yàn)合成含有6個(gè)羥基的三亞苯衍生物然后通過(guò)氧化還原引發(fā)體系合成了星型聚丙烯腈聚合物SPAN 見圖1 最后在星型聚丙烯腈的NN-二甲基甲酰胺溶液DMF中用水合肼還原氧化石墨得到均一穩(wěn)定的溶液。</p><p>　　從SEM照片中可以清楚看到見圖3 未吸附聚合物的石墨烯是光滑的片層結(jié)構(gòu) 而吸附聚合物之后的石墨烯由于表面覆蓋著聚合物片層變厚但和純石墨烯比較片層已經(jīng)不太明顯出現(xiàn)的團(tuán)狀物或柱狀物為聚合物中三

21、亞苯結(jié)構(gòu)自組裝后形成的 這進(jìn)一步證明了星型聚丙烯腈已成功吸附到石墨烯的表面。｛1｝</p><p>　　b 共價(jià)鍵功能化石墨烯</p><p>　　結(jié)合高效率重氮鹽加成和Kumada催化-轉(zhuǎn)移縮聚反應(yīng)KCTP 聚3-己基噻吩P3HT 被共價(jià)接枝在石墨烯 GN 表面 形成聚合物分子刷P3HT-GN 通過(guò)重氮鹽偶合反應(yīng)溴苯分子首先被共價(jià)連接在氧化還原方法制備的GN表面由此錨固的NiPPh3

22、4隨后引發(fā)3-己基噻吩的催化-轉(zhuǎn)移聚合原子力顯微和熱失重分析結(jié)果表明接枝在GN表面的P3HT分子刷厚度約為5nm 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.1% 當(dāng)假設(shè)P3HT以伸直鏈構(gòu)象接枝在GN表面時(shí) 估計(jì)的接枝密度為每6.53nm2 含有1個(gè)P3HT鏈鏈間平均距離為2.266nm2 石墨烯對(duì)聚合物性能影響。｛1｝</p><p>　　B：聚合物復(fù)合材料的界面及其結(jié)構(gòu)</p><p>　　a 界面與界面相結(jié)構(gòu)

23、</p><p>　　聚合物基復(fù)合材料一般是由纖維增強(qiáng)體或無(wú)機(jī)填料增強(qiáng)體或功能體與聚合物基體所構(gòu)成的兩相或多相復(fù)合材料在復(fù)合材料制備過(guò)程中給定的熱學(xué)化學(xué)和力學(xué)條件下形成了結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有別于基體和增強(qiáng)體的界面區(qū) 復(fù)合材料的界面是一個(gè)包含著兩相之間過(guò)渡區(qū)域的三維界面相在該區(qū)域物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與增強(qiáng)體不同也與基體有區(qū)別因而另成一相或幾相常稱為界面相 從結(jié)構(gòu)來(lái)分這一界面相由５個(gè)亞層組成如圖１所示 每一亞層的性能均與基體

24、和增強(qiáng)體的性質(zhì)偶聯(lián)劑的品種和性質(zhì)復(fù)合材料的成型方法等密切相關(guān)。｛4｝</p><p>　　b 界面與界面相對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響</p><p>　　復(fù)合材料的界面是包含著兩相之間過(guò)渡區(qū)域的三維界面相是復(fù)合材料在熱化學(xué)和力學(xué)環(huán)境下形成的微結(jié)構(gòu)界面層的存在通常會(huì)導(dǎo)致界面效應(yīng)的產(chǎn)生界面效應(yīng)可以歸納為４類１分割效應(yīng)一個(gè)連續(xù)體被分割成許多區(qū)域每個(gè)區(qū)域的尺寸中斷強(qiáng)度分散情況等會(huì)對(duì)基體的力學(xué)性能

25、產(chǎn)生影響２不連續(xù)效應(yīng)在界面上引起物理性質(zhì)的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象如電阻介電特性磁性耐熱性尺寸穩(wěn)定性等３散射和吸收效應(yīng)光波聲波熱彈性波沖擊波等在界面產(chǎn)生的散射和吸收如透光性隔熱性隔音性耐沖擊性及耐熱沖擊性等４感應(yīng)效應(yīng)在界面上產(chǎn)生的感應(yīng)效應(yīng)特別是應(yīng)變內(nèi)應(yīng)力和由此出現(xiàn)的現(xiàn)象 高的彈性低的熱膨脹性耐沖擊性和耐熱性等填充型導(dǎo)熱絕緣高分子的熱導(dǎo)率取決于高分子和導(dǎo)熱填料的協(xié)同作用 分散于聚合物基體中的導(dǎo)熱填料有粒狀片狀球形纖維等形狀 按照常規(guī)的

26、填充方式填充量較小時(shí)填料顆粒通常都是分散于聚合物基體中填料顆粒與聚合物基體之間的界面結(jié)合強(qiáng)度通常情況下都比較弱會(huì)造成熱流方向上熱阻很大導(dǎo)致材料導(dǎo)熱性能很差１５ 近年來(lái)利用新發(fā)現(xiàn)的具有超高熱導(dǎo)率大于３０００ Ｗ ｍＫ 的單壁碳納米管ＳＷＮＴ與環(huán)氧聚酰亞胺聚偏氟乙烯ＰＶＤＦ進(jìn)行復(fù)合并沒(méi)有獲得預(yù)期的高熱導(dǎo)率１６－１８ ＸｕＹｕｎ</p><p><b>　　c 表面功能化</b></p&

27、gt;<p>　　硅烷偶聯(lián)劑是一種常用的表面處理劑它實(shí)質(zhì)上是一類有機(jī)官能團(tuán)的硅烷其分子中既具有能與無(wú)機(jī)質(zhì)材料化學(xué)結(jié)合的反應(yīng)基團(tuán)同時(shí)又具有能與有機(jī)質(zhì)材料合成樹脂等化學(xué)結(jié)合的反應(yīng)基團(tuán)ＤＤＬＣｈｕｎｇ等２０ ＰｅｎｇＷｅｎｙｉ等２１使用硅烷偶聯(lián)劑分別對(duì)ＢＮ和ＡｌＮ進(jìn)行了表面處理改變基體與填料粒子之間的界面結(jié)構(gòu) 加入偶聯(lián)劑后基體與增強(qiáng)體之間通過(guò)多種官能團(tuán)相連接從而使界面間隙達(dá)到最?。罚?聚合物基復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)與導(dǎo)熱性能趙維維等

28、界面結(jié)構(gòu)圖如圖２所示加入硅烷偶聯(lián)劑后在填料和基體之間形成了一個(gè)中間層 硅烷層 偶聯(lián)劑中的烷氧基與增強(qiáng)體表面的羥基－ＯＨ通過(guò)硅烷化反應(yīng)形成Ｓｉ－Ｏ鍵另一側(cè)偶聯(lián)劑中的胺基等有機(jī)官能團(tuán)與基體通過(guò)化學(xué)鍵合的方式連接。｛4｝</p><p>　　4：石墨烯/聚合物復(fù)合材料的性能研究以及應(yīng)用｛18、19、21｝</p><p>　　由以上的改性方法可知，石墨烯本身處于層狀或片狀化合物，對(duì)其進(jìn)行表面改性

29、后可以在石墨烯表面引入相應(yīng)的官能團(tuán)以增加與聚合物之間的交聯(lián)成鍵來(lái)達(dá)到很好的界面相容性，使復(fù)合材料更加穩(wěn)定。其主要物理性質(zhì)參數(shù)表現(xiàn)如下</p><p><b>　　4.1 導(dǎo)電性能</b></p><p>　　Stankovich等利用溶液共混法制得石墨烯/PS復(fù)合材料，其滲流閾值僅為0.1%(體積分?jǐn)?shù)，下同) ， 是目前報(bào)道研究中的最低值 Zhang等制備的石墨烯/聚

30、對(duì)苯二甲酸乙二醇酯復(fù)合材料的滲流閾值為0.47%，當(dāng)石墨烯體積分?jǐn)?shù)為3.0%時(shí)，復(fù)合材料的電導(dǎo)率達(dá)到2.11S/m Kim</p><p>　　等研究發(fā)現(xiàn)官能化石墨烯/聚(乙烯－2，6 －萘二甲酸)復(fù)合材料的導(dǎo)電滲流閾值為0.3%，而相應(yīng)的石墨/聚(乙烯－2，6 －萘二甲酸)的導(dǎo)電滲流閾值高達(dá)3% Xu等制備的石墨烯/聚(3，4－乙撐二氧噻吩)新型復(fù)合材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，10nm的薄膜電導(dǎo)率為0.2S/m We

31、i等研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯在氯乙烯－乙酸乙烯共聚物中的分散性較高，能形成有效的導(dǎo)電通路，導(dǎo)電滲流閾值為0.15%;與膨脹石墨制得的石墨片作填料相比，石墨烯體積分?jǐn)?shù)低于1.5%時(shí)，復(fù)合材料的電導(dǎo)率在數(shù)量級(jí)上是前者的3～5倍此外，石墨烯用作填料可制備導(dǎo)電聚烯烴｛22，23｝導(dǎo)電聚酯｛24，23｝導(dǎo)電聚酰胺｛23｝導(dǎo)電聚氨酯｛25，26－27｝導(dǎo)電環(huán)氧樹脂｛28｝</p><p>　　導(dǎo)電天然橡膠以及合成橡膠｛29｝，這些材

32、料可適用于電磁屏蔽抗靜電涂料和導(dǎo)電涂料等領(lǐng)域.｛7、11｝</p><p><b>　　4.2導(dǎo)熱性能</b></p><p>　　石墨烯優(yōu)異的熱傳輸性能可應(yīng)用于微型電子設(shè)備的熱管理30－31｝，如導(dǎo)熱膏熱驅(qū)動(dòng)形狀記憶聚合物等Wang等研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯的加入可使環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)(CTEs)明顯降低，填充量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的氧化石墨烯可使聚合物的4 8 4 合 成

33、 橡 膠 工 業(yè) 第34卷CTEs下降31.7%，熱導(dǎo)率是聚合物基體的4倍，但對(duì)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度有造成不利影響，這一研究結(jié)果為微型電子熱管理提供了理論基礎(chǔ)Kalaitzidou等研究表明，當(dāng)經(jīng)熱處理的膨脹石墨(EG)體積分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，其填充聚丙烯復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為1.2W/(m K) ， 比理論預(yù)測(cè)值低 這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)測(cè)得的不是石墨層面的熱導(dǎo)率，而是石墨層間的電導(dǎo)率;而且EG在聚合物基體中分散性較差，發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，EG呈現(xiàn)起皺和卷曲狀態(tài)石

34、墨烯還可用于提高環(huán)氧樹脂聚乙烯聚酰胺等聚合物的導(dǎo)熱性能碳材料能夠提高聚合物熱導(dǎo)率，但并沒(méi)有像提高導(dǎo)電性那樣明顯，甚至低于有效介質(zhì)理論這可能是因?yàn)樘疾牧吓c聚合物熱導(dǎo)率的差異不像電導(dǎo)率那么大 而且熱能傳遞主要是以晶格振動(dòng)的形式，填料與聚合物之間以及填料與填料之間較弱的振動(dòng)模式也會(huì)增加熱阻 配合表面化學(xué)或者界面共價(jià)鍵偶合可以降</p><p><b>　　4.3 耐熱性能</b></p>

35、;<p>　　石墨烯在聚合物基體中可限制聚合物鏈的流動(dòng)性｛22｝，在燃燒過(guò)程中，阻燃性的各向異性石墨烯形成碳層網(wǎng)絡(luò)，阻礙降解產(chǎn)物的逸出，因此石墨烯/聚合物復(fù)合材料可用作阻燃材料Bao等采用靜電紡絲制備了石墨烯/聚乙酸乙烯酯(PVAc)復(fù)合薄膜，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.07%的石墨烯衍生物可以將PVAc的起始分解溫度提高2～8℃，最大降解溫度提高20～90℃Quan等研究了石墨烯對(duì)聚氨酯耐熱性能的影響，結(jié)果表明，石墨烯的加入可以使

36、聚氨酯的起始分解溫度和最大分解溫度向高溫方向移動(dòng)，此外石墨烯可以充當(dāng)膨脹型阻燃劑，降低放熱速率，進(jìn)而提高聚氨酯基體的阻燃性能石墨烯還可以提高PS聚乙烯醇聚甲基丙烯酸甲酯硅泡沫材料聚氨酯等聚合物的耐熱性</p><p>　　4.4 物理機(jī)械性能</p><p>　　石墨烯具有優(yōu)異的物理機(jī)械性能，比起現(xiàn)有的炭質(zhì)填料，如炭黑碳纖維碳納米管，石墨烯用</p><p>　　于

37、增強(qiáng)聚合物材料更具有優(yōu)勢(shì)｛23｝Rafiee等研究了石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的縱向彎曲性能 結(jié)果表明，當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，復(fù)合材料的臨界縱向彎曲載荷提</p><p>　　高52%，說(shuō)明聚合物基體與石墨烯的載荷傳遞效力大大提升 這種納米復(fù)合材料可用作航空和空間領(lǐng)域的輕質(zhì)耐屈曲的結(jié)構(gòu)元件 Bao等制備了改性石墨烯/PVAc 復(fù)合薄膜，研究發(fā) 現(xiàn)，1－芘丁酸琥珀酯改性石墨烯和4－｛2－(吡啶－4－基)乙烯基

38、｝苯基改性石墨烯對(duì)PVAc復(fù)合薄膜的物理機(jī)械性能具有較大幅度的改善</p><p>　　4.5 氣體阻隔性能</p><p>　　無(wú)缺陷的石墨烯對(duì)所有氣體分子都具有不可滲透性質(zhì)，當(dāng)石墨烯均勻分散在有滲透性的聚合物基體中，可以增加擴(kuò)散路徑長(zhǎng)度，降低聚合物的透氣性Kim等｛46｝研究了功能化石墨烯對(duì)聚(乙烯－2，6 －萘二甲酸) ( PEN)阻隔性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)功能化石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4

39、%時(shí)，PEN的氫滲透系數(shù)下降31%，而相等填充量的石墨使氫滲透系數(shù)僅下降25% Kim等研究發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的異氰酸酯改性石墨烯使聚氨基甲酸</p><p>　　酯的氮滲透率降低了90% Kalaitzidou等研究表明，當(dāng)直徑為1 m的石墨烯填充體積分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，可以使聚丙烯對(duì)氧氣的滲透率下降10%，效果與碳纖維相當(dāng);直徑為15 m的石墨烯可使聚丙烯的氣體阻隔性下降20%，優(yōu)于黏土石墨烯的縱橫比分散性石墨片

40、的取向界面結(jié)合作用以及聚合物基體的結(jié)晶狀況對(duì)復(fù)合材料氣體阻隔性能有較大的影響</p><p>　　二：石墨烯/聚合物復(fù)合材料的發(fā)展前景</p><p>　　與單罐碳納米管(SWCNT)類似，石墨烯具有熱、力、電等優(yōu)異的性能。但聚合物分子不易進(jìn)入SWCNT內(nèi)表面，而氧化石墨烯巨大的比表面積和表面豐富的官能團(tuán)賦予其優(yōu)異的復(fù)合性能，在經(jīng)過(guò)改性和還原后可在聚合物基體中形成納米級(jí)分散，從而使石墨烯片

41、在改變聚合物基質(zhì)的力學(xué)、流變、可滲透性和降解穩(wěn)定性等方面具有更大的潛力。另外，由于氧化石墨烯成本低廉，原料易得，兇而比SWCNT更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。目前同外已有氧化石墨烯／聚合物復(fù)合材料的相關(guān)專利報(bào)道，應(yīng)朋領(lǐng)域涵蓋了能源行業(yè)的燃料電池用儲(chǔ)氫材料，合成化學(xué)工業(yè)的微孔催化劑載體，導(dǎo)電塑料，導(dǎo)電涂料以及建筑行業(yè)的防火阻燃材料等方面。今后估汁在以下三方面將成為石墨烯材料應(yīng)用研究的熱點(diǎn)：</p><p>　　(1)研究1=業(yè)化機(jī)

42、械剝離GO制備氧化石墨烯，為后續(xù)的深加工提供穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的原材料。</p><p>　　(2)通過(guò)化學(xué)還原或熱處理對(duì)單片剝離的氧化石墨烯進(jìn)行脫氧、還原使之重石墨化恢復(fù)其導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，以高效的化學(xué)方式實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電石墨烯的制備，使之可大規(guī)模用于信息電子等領(lǐng)域。</p><p>　　(3)制備以石墨烯為納米填料的力、電、熱增強(qiáng)復(fù)合材料及自組裝的大面積導(dǎo)電紙狀材料以及這些材料的應(yīng)用研究。同時(shí)塒氧化石墨烯表面改

43、性以滿足其與多種基體的復(fù)合。我國(guó)石墨礦產(chǎn)的資源儲(chǔ)量大，質(zhì)量?jī)?yōu)，產(chǎn)量和出口均居世界首位。但相關(guān)的石墨深加工技術(shù)卻較為落后。加大研發(fā)力度，提高產(chǎn)品附加值已迫在眉睫。在GO、氧化石墨烯和石墨烯的相關(guān)研究已取得突破性進(jìn)展的今天，這方面尤其值得國(guó)內(nèi)科技界予以關(guān)注；相_芙部門應(yīng)投入一定的經(jīng)費(fèi)與力量加大研究與開發(fā)的力度，使石墨烯及其復(fù)合材料能盡早應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各部門。</p><p><b>　　5：結(jié)束語(yǔ)<

44、/b></p><p>　　石墨烯是由碳原子以sp2雜化連接的單原子層構(gòu)成的二維原子晶體，其特殊的結(jié)構(gòu)決定了它具有奇特的電學(xué)性能優(yōu)異的物理機(jī)械性能熱學(xué)性能以及氣體阻隔性能，且其原料來(lái)源豐富，價(jià)格低廉，是電磁屏蔽材料抗靜電涂料導(dǎo)電涂料導(dǎo)熱膏熱驅(qū)動(dòng)形狀記憶聚合物阻燃聚合物材料及氣體阻隔聚合物復(fù)合材料的理想填料 隨著石墨烯/聚合物復(fù)合材料研究的不斷深入，石墨烯在聚合物中的應(yīng)用范圍必將不斷擴(kuò)大，在制備輕質(zhì)低成本且具

45、有高性能的復(fù)合材料方面將進(jìn)一步發(fā)揮其潛力 但由于結(jié)構(gòu)完整的石墨烯在聚合物中分散性差，與聚合物的相互結(jié)合作用弱，影響了其各種優(yōu)異性能的發(fā)揮，因此石墨烯的分散仍將是未來(lái)需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題之一。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　?。?｝：功能化石墨烯_聚合物基復(fù)合材料性能研究進(jìn)展 中國(guó)中文期刊數(shù)據(jù)庫(kù)論文<

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50、t;<p>　?。?3｝：石墨烯基復(fù)合材料的研究l進(jìn)展 中國(guó)中文期刊數(shù)據(jù)庫(kù)論文</p><p>　?。?4｝：石墨烯基復(fù)合材料的研究進(jìn)展 中國(guó)中文期刊數(shù)據(jù)庫(kù)論文</p><p>　?。?5｝：石墨烯及石墨烯基復(fù)合材料研究進(jìn)展 中

51、國(guó)中文期刊數(shù)據(jù)庫(kù)論文</p><p>　?。?6｝：石墨烯在聚合物復(fù)合材料中的應(yīng)用 中國(guó)中文期刊數(shù)據(jù)庫(kù)論文</p><p>　?。?7｝:碳納米材料在導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料中的應(yīng)用 中國(guó)中文期刊數(shù)據(jù)庫(kù)論文</p><p>　?。?8｝：王耀先 復(fù)合材料力學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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