石墨烯納米復合材料特性與制備的分析與研究

吳瑞涵

（首都師范大學附屬中學，北京 100048）

碳材料天生具有特殊的性質，一直為人們所關注，石墨因為具有特殊的六元環結構，有耐高溫、高強度、導電、導熱好的性能。石墨烯是一種碳的二維同素異形體材料，具有特殊的電學性能和良好的機械性能，同時以它為載體可制備更加優異的復合材料。

1 石墨烯概述

石墨烯是一種具有二維蜂窩狀晶格結構的材料，具備獨特的電性能、磁性能，是一種高強導電復合材料的理想填料。以石墨烯為載體加入其它材料可以制成多功能的，具有優異導電性、力學性能的復合材料。當前主流的石墨烯/聚合物納米復合材料便是一種典型的石墨烯納米復合材料。

2 石墨烯納米復合材料特性

2.1 石墨烯的表征特性

石墨烯的小分子特性：石墨烯與碳納米管有相識之處，可以有效的溶解于四氯化碳等有機物中，并可以得到0.3～0.5 mm厚度的石墨烯。在引入含氧官能團后，石墨烯的大π鍵被破壞，從而使其的導電性能減弱，使用硼氫化鈉還原石墨烯，磺化接枝，再強還原劑肼進行還原，得到的改性石墨烯具有更加優異的溫度性能。

石墨烯的聚合物功能化：兩親性的石墨烯便是通過聚合物功能化方法得到，通過與聚合物的化學共聚反應，利用生物相容性的特點對石墨烯進行功能化，功能化后的石墨烯具有特殊的平面二維結構，使其具有很好的生物活性。

石墨烯特殊的機械性能：因為碳都具有極好的機械性能，而石墨烯的楊氏模量高達1.0 TPa，其彈性常數5 N/m-1，斷裂強度高達42 N/m-1，硬度高達400 N/m-1。因為石墨烯特殊的層數與邊緣位于表面的缺陷，使其石墨烯具有突出的機械性能。使其廣泛的應用于壓力與力學傳感器等設備，同時也是一種理想的材料增強劑。

2.2 復合材料特性

儲能特性：使用石墨烯為載體將鉑納米負載到石墨烯的表面，在π-π鍵作用下，固態狀態下產生堆疊，因為鉑顆粒負載石墨烯的作用，對堆疊作用產生阻隔作用，讓其各個層間保證足夠的距離。同時石墨烯對鉑納米顆粒產生穩定作用，使其能穩定的保持均勻分布，從而使得這種復合材料具有非常好的電化學性能，可以用作超級電容器等儲能材料。

復合材料的催化特性：石墨烯經過金屬催化劑與石墨烯的非共價鍵作用較好的復合，使他們產生阻止貴金屬顆粒的移動與團聚，進而讓催化劑的穩定性能得到極大的提高，使其具有極大的催化活性及更大的電化學比表面積。

3 制備方法

3.1 溶液共混法

共混法是將聚合物的溶液與石墨烯進行混合，然后進行攪拌或者輔助以超聲進行溶液共混，再加入非溶劑液進行一定的沉淀，最后進行硫化制備，得到需求的聚合物復合材料。聚合物的官能團在超聲作用下，使其能夠穩定的溶入溶劑之中，這個是共混制備的重要基礎，對于熱還原的石墨烯，可以使用改性處理，然后再溶入溶劑中。

3.2 機械混合法

機械混合法其主要是將石墨烯與配合劑在密煉機中與聚合物進行機械方式的混合，再進行硫化制備復合材料。該方法主要是在機械剪切的作用下進行分散填料，目前該制備方法是現在主流的制備石墨烯聚合物復合材料的方式，具有成本低、工藝流程簡單等優點。在使用機械混合法制備石墨烯聚合物復合材料時，因為分子間的吸引力較大，使其加工難度大及聚合物與石墨烯的極性相差大，該制備方法的最大難度是如何保證石墨烯剝離并且均勻分散在聚合物中。

3.3 膠乳工混法

膠乳共混法主要為先將石墨烯分散在水中，然后再與聚合物膠乳進行混合，在經過冷凝、烘干、混合等工藝處理后制備復合材料。該方法為制備石墨烯聚合物復合材料簡單有效的方法，因為聚合物一般存在膠乳中，而石墨烯則分散在水中，有利石墨烯均勻的分散在聚合物中，減少有毒的溶劑使用。

4 結語

石墨烯作為碳納米材料中的獨特的二維晶體結構材料，使其比傳統的碳材料擁有更加優異和獨特的特性，因為這些特殊的結構賦予它優異的物理、電子等特性。同時再以石墨烯為載體，與聚合物進行混合處理，制備出的復合材料具有比石墨烯更加優異的導電、導熱性等性質。本文著重從石墨烯聚合物納米材料的特性與其制備方法入手，對石墨烯納米復合材料詳細具體的進行了分析和研究。同時也對石墨烯納米復合材料進一步研究提出了展望。