石墨烯在水泥基復(fù)合材料中的研究現(xiàn)狀

肖桂蘭

（重慶交通大學(xué)， 重慶 400074）

0 前言

石墨烯是碳的同素異形體，由碳原子單層排列而成，呈蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，只有一個(gè)碳原子厚，是目前世界上最薄二維納米晶體材料。石墨烯一直以來(lái)都被認(rèn)為是一種不能穩(wěn)定存在的理論材料，直到2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的Geim教授和 Novoselov博士第一次成功地用膠帶反復(fù)剝離得到了能穩(wěn)定存在的石墨烯晶體，使理論變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)。石墨烯具有優(yōu)異的光、電、熱、力學(xué)性能并且對(duì)納米材料的研究是當(dāng)今材料科學(xué)研究的新領(lǐng)域，由于納米材料獨(dú)特的性能，可以應(yīng)用到許多領(lǐng)域（如物理、化學(xué)、冶金、國(guó)防、材料等），近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者也將納米材料應(yīng)用到混凝土中，探索對(duì)混凝土的強(qiáng)度、微觀形貌、水泥水化過(guò)程的影響以及是否有利于提高混凝土的耐久性等。將納米材料加入到混凝土中通常用的有納米二氧化硅、碳納米管，納米二氧化鈦等。石墨烯作為當(dāng)今研究領(lǐng)域的熱門(mén)材料，引起了研究者對(duì)石墨烯水泥基復(fù)合材料的研究興趣。

1 石墨烯的結(jié)構(gòu)與分散

石墨烯具有大的比表面積，能夠應(yīng)用到各種復(fù)合材料的制備、電子器械、儲(chǔ)能設(shè)備等許多方面，自問(wèn)世以來(lái)就吸引了國(guó)內(nèi)外大批研究者的廣泛關(guān)注。近年來(lái)石墨烯及基于石墨烯基的納米復(fù)合材料的研究進(jìn)展迅速，如石墨烯在水泥基復(fù)合材料中的應(yīng)用。

石墨烯是目前世界上強(qiáng)度最高、硬度最強(qiáng)的材料，化學(xué)穩(wěn)定性較高，其結(jié)構(gòu)決定了石墨烯本身很難被改性，反應(yīng)活性較低，難溶于水和其他溶劑，在應(yīng)用時(shí)很容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，常因石墨烯在基體中的分散性能差而達(dá)不到預(yù)期的效果，要想讓石墨烯在基體中發(fā)揮其自身的優(yōu)勢(shì)，有必要采取一定的方法和措施將其能更好的分散在基體中。目前將石墨烯加入到水泥基復(fù)合材料中的方法大多采用先將石墨烯均勻分散在水中得到懸濁液，再將其加入到水泥基體中。石墨烯的分散方法主要包括機(jī)械攪拌法、超聲波處理法、電場(chǎng)誘導(dǎo)法[2]等，為了分散的更加均勻減少團(tuán)聚，采用超聲波處理時(shí)會(huì)加入一些表面活性劑。

2 氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)與制備

氧化石墨烯（GO）是石墨烯的重要衍生物，結(jié)構(gòu)呈蜂窩狀片層結(jié)構(gòu)，相較于石墨烯，氧化石墨烯的表面有大量的含氧官能團(tuán)（如烴基、羧基、環(huán)氧基等），這些官能團(tuán)的存在增大了其層間的距離使得 GO具有良好的親水性能通過(guò)超聲波處理均勻的分散在水和其他溶劑中。

目前制備氧化石墨烯常用 Standenmaier法、Brodie 法和 Hummers 法，Stamdenmaier需要經(jīng)過(guò)多次氧化，耗時(shí)且會(huì)產(chǎn)生有毒氣體（如 Cl2、Cl2O）容易發(fā)生爆炸，不安全；Brodie法雖然能得到結(jié)構(gòu)良好的氧化石墨但同樣也有有毒氣體產(chǎn)生，濃度高時(shí)也會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)。Stamdenmaier法與 Brodie法都是用的 KClO3為氧化劑，固有爆炸風(fēng)險(xiǎn)，相較而言，Hummers法利用KMnO4代替 KClO3，減少了有毒氣體的產(chǎn)生同時(shí)提高了實(shí)驗(yàn)的安全性，被廣泛的應(yīng)用在實(shí)際中，而且Hummers法經(jīng)過(guò)了不斷的改進(jìn)，目前工藝已經(jīng)非常成熟。該方法是以濃硫酸、硝酸鈉、高錳酸鉀為氧化劑，分別在低、中、高三種溫度下進(jìn)行反應(yīng)，洗滌烘干得到GO。

3 在水泥基復(fù)合材料中的應(yīng)用

3.1 增強(qiáng)增韌作用

石墨烯強(qiáng)度高，力學(xué)性能優(yōu)異，近年來(lái)許多專(zhuān)家學(xué)者試著將石墨烯加入到水泥基復(fù)合材料中，以提高其強(qiáng)度，延長(zhǎng)混凝土的使用年限。呂生華等[1，2]將NGO加入到水泥漿體中，發(fā)現(xiàn)，NGO 片層對(duì)水泥石中水泥水化產(chǎn)物晶體的形成有模板效應(yīng)和調(diào)控作用，能夠促進(jìn)水泥水化產(chǎn)物形成整齊、規(guī)整的花形晶體，從而對(duì)水泥石有顯著的增強(qiáng)增韌作用。王琴等[6]人將GO 加入到水泥漿中，結(jié)果表明對(duì)水泥漿有顯著增稠和促凝作用，能有效降低水泥的水化放熱量，降低水泥石中微孔的體積，增加水泥石的密實(shí)度。曹明莉等[7]證明當(dāng)水泥基復(fù)合材料中石墨烯納米片層質(zhì)量適當(dāng)（0.02%）時(shí)，石墨烯能夠均勻分散在水泥石中，并能有效提高其力學(xué)性能，改善其韌性。

3.2 導(dǎo)電性

智能混凝土的研究早在上世紀(jì)60年代就開(kāi)始了，為了使混凝土具有自動(dòng)感知的能力，通常會(huì)在混凝土里加入一些具有導(dǎo)電性質(zhì)的材料（如石墨，炭黑，碳纖維，鋼渣等）。石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)性能，其電阻率只有約1. 0×10－6Ω·cm，比銀更低，為目前電阻率最小的材料[8]吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)石墨烯水泥基復(fù)合材料電學(xué)性能的研究。劉衡等[9]在水泥基復(fù)合材料中摻入了少量的納米石墨烯片（GnPs），結(jié)果表明摻入GnPs顯著提高了水泥砂漿的早期抗壓強(qiáng)度，但對(duì)后期抗壓強(qiáng)度的影響并不大，少量GnPs（體積摻量低于0.15%）對(duì)改善水泥砂漿導(dǎo)電性的作用效果不明顯。

4 存在的問(wèn)題

石墨烯性能優(yōu)異，將其加入到水泥其復(fù)合材料中能改善水泥基復(fù)合材料的性能，但石墨烯具有不親水不親油性，很難溶解在其他溶劑中形成均勻分散的石墨烯溶液。石墨烯層間的范德華力使石墨烯極易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，要想讓石墨烯在混凝土領(lǐng)域發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，必須首先解決石墨烯的分散性問(wèn)題。

理性對(duì)待石墨烯，目前石墨烯產(chǎn)品主要集中在鋰電池、電發(fā)熱類(lèi)產(chǎn)品，防腐涂料等領(lǐng)域，有些石墨烯產(chǎn)品（如薄膜）出現(xiàn)了產(chǎn)能過(guò)剩的情況，市場(chǎng)的利用率低，而石墨烯在水泥基復(fù)合材料中的應(yīng)用研究還不透徹有待進(jìn)一步的研究。石墨烯還沒(méi)有進(jìn)入真正意義上的大規(guī)模生產(chǎn)階段，石墨烯的價(jià)格還很昂貴，在混凝土中的應(yīng)用基本還處在理論研究階段。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，石墨烯作為一種新型的碳納米材料，受到了來(lái)自世界各地30多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的廣泛關(guān)注，對(duì)石墨烯的研究熱度在持續(xù)上升，我國(guó)已然是石墨烯研究最活躍的國(guó)家。石墨烯優(yōu)異的力學(xué)性能、大比表面積使得石墨烯在復(fù)合材料領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景，將石墨烯加入到水泥基復(fù)合材料中具有重要的研究?jī)r(jià)值。

[1]呂生華，孫婷，等.納米氧化石墨烯對(duì)水泥復(fù)合材料中水化晶體結(jié)構(gòu)的控制及增韌作用[J].混凝土,2013,11:1-6.

[2]LV Shenghua, MA Yujuan, QIU Chaochao, et al. Effect ofgraphene oxide nanosheets of microstructure and mechanicalproperties of cement composites [J].Construction and buildingmaterials, 2013,49: 121-127.

[3]王琴1，王健1，呂春祥2，等.氧化石墨烯對(duì)水泥基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響[J].新型炭材料，2015，30（4）：349-356.

[4]曹明莉，張會(huì)霞，張聰.石墨烯對(duì)水泥凈漿力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，47（12）：26-30.

[5]BERNARDO M，MARCOS G，EVGENIY T，et al. Electricalconductivity of compacts of graphene，multi － wall carbon nanotubes，carbon black，and graphite powder[J].Powder Technology，2012，221( 5) : 351 － 358.

[6]劉衡，孫明清，李 俊，等.摻納米石墨烯片的水泥基復(fù)合材料的壓敏性[J].功能材料，2015，16（46）:16064-16068.