石墨烯在復合材料領域的應用

高瑞方

摘?要：隨著近幾年石墨烯的研究進展，在復合材料領域石墨烯扮演的角色越來越重要。目前我國的企業和高校的合成材料平臺正在依托于我國豐富的天然石墨烯資源而進行廣泛的探索，而且提出了石墨烯在復合材料領域的研究方向。由于石墨烯擁有光學、電學、力學等特性，因而在材料、能源、生物醫學等方面有著非常好的應用前景，本文針對石墨烯在復合材料領域的應用進行了探討。

關鍵詞：石墨烯;負荷材料;應用

一、石墨烯的制備技術

目前我們國家在研究石墨烯生產方法時主要有兩個方向，分別是物理法制備和化學法制備。利用微機械剝離法能夠得到高質量的石墨烯，但是由于此種方法處理出來的石墨烯通常尺寸較小，應用范圍不廣闊因此并不適合大規模生產，目前比較適用的還是化學方法，化學方法總共分為兩種，一種是化學氣象沉積法，這種方法通常是用Ni，Ru等一些過度金屬來做基底，在利用甲烷和乙烯等一些小分子來高溫氣態的條件下發生一些化學反映，在基底層可以生長出石墨烯，這種方法目前主要用來制備墨烯薄膜，但是由于使用過渡金屬作為基底，成本相對比較高。另外一種則是使用化學還原的方法，通常采用濃硫酸和發煙硝酸等強酸將天然石墨來進行氧化處理，得到氧化物之后在進行還原，這樣能夠得到石墨烯。這種方法制備的石墨烯微片會有一定的含氧官能團，可以與樹脂等高分子基體進行結合，而且結合能力很強，通常適合制備高分子復合材料。

二、石墨烯在復合材料領域的應用

（一）聚合物基復合材料

目前很多專家學者利用了石墨烯的獨特性質來將石墨烯作為納米填料分散在聚合物或無機基質中，而且取得了不錯的效果。目前很多研究集中在聚合物基體上，在抗拉強度、電導率和導熱系數等參數上都有了很大程度的提高。但是由于石墨烯是一種很新的材料，因此目前在該領域的研究仍然處于起步的階段，還存在著一些問題等待解決。石墨烯和傳統的填料相比有很大的優勢，比如其機械性和傳輸性能會大大增加，雖然傳統的碳納米管也具有這樣的特性，但是石墨烯在二維形狀、單原子厚度和邊緣原子上的應用有非常巨大的優勢。目前石墨烯被用在一些仿生復合材料上，這是一個新興的領域，使用碳纖維和石墨烯來增強一些功能，通過一些試驗可以實現石墨烯的片層化多功能表面，這是下一代柔性電子產品的理想材料。

（二）陶瓷基復合材料

陶瓷材料在我國應用比較廣泛，而且有著悠久的歷史，從工程的角度來講陶瓷材料有著很多非常好的性質。比如陶瓷的耐火性，陶瓷可以在溫度大于600℃的條件下仍然能夠保持材料的強度和硬度，但是在陶瓷材料應用的過程中其低韌性是比較大的缺點。想要增加陶瓷的韌性就要加入第二種材料，在石墨烯技術未得到應用時用的是含纖維復合材料或碳納米管-陶瓷復合材料，這種材料具有導電性，但是由于陶瓷的硬度強韌性低的特點使得這種材料的加工成本相當高。通過一系列的科學認證，可以將石墨烯應用在陶瓷材料上，做成石墨烯/陶瓷復合材料，這種材料有著比較明顯的韌性和導電性。與碳納米管相比，石墨烯陶瓷復合材料成本和商業利用率相對比較低，工藝條件并不嚴格，這算是一個比較大的優勢。

（三）化學改性石墨烯的復合材料

利用化學合成可以創造出一種新型的二維形狀的材料，在用石墨烯片作為模版，利用固定在石墨烯襯底上的有機或無機粒子來制造更復雜和功能更強的二維材料，這樣不僅僅能夠避免了納米材料的聚集，還能夠提高電導率。目前很多科學家已經找到了一些方法通過化學改性來提高這種復合材料的性能。為了整合其獨特的性質，科學家已經對石墨烯和無機納米材料的二維納米復合材料開展了研究。其中一種方法是用石墨烯和已經制備好的無機納米粒子進行組裝，另外一種則是無機納米粒子在石墨烯表面的原位生長，目前這兩種方法是比較常用的方法，很多科學研究也基于這兩種方法來進行技術上的探索。

（四）光子聚合物復合材料

隨著我國科技的發展，光學網絡的需求可謂是越來越大，光學網絡的發展需要滿足性能標準和經濟要求的光子元件，需要利用新的技術提高產量同時降低成本，而且還要有很高的性能。光通信系統需要光源和探測器，但是傳統的一些光學元件操作非常不方便，而且對于失調非常敏感，很容易發生一些不穩定的狀態，而這些問題的存在確實制約了光學網絡的發展，如何解決這些問題科學家們非常煩惱，而所有的這些問題都能夠在集成光學系統中進行避免。目前科學家們聚焦的技術難題是要開發一種嵌入石墨烯的光學和電子功能的新型聚合物光電器件，這些器件如果實現將會帶來很大的改革。這些器件不僅僅在光學通信領域會得到很廣闊的應用，而且會在生物醫療儀器，化學分析儀器，顯微鏡和外科手術等等領域得到很大范圍的應用，這樣的應用會給很多技術領域帶來質的改變，會有很好的應用前景。正因為如此，目前很多科學家也在石墨烯的新型光子聚合物上扎根研究，希望得到比較好的應用結果，這也是很多科學家的主要研究方向。當然光聚合物復合材料還有很多技術難題等待被解決，也有很多人目前對這種技術是否可行存在著一些質疑，但是每一次技術的變革都會引起人們的廣泛猜測，但是猜測和質疑并不能影響科學家們的腳步，在科研的道路上往往質疑會成為前進的動力。

三、結語

目前雖然有很多專家和學者已經對石墨烯復合材料進行了大量的科學試驗研究，但是石墨烯復合材料的應用還需要一定的時間。當然目前有一些復合材料已經有一定的技術成熟度，并且已經開始用于商業水平和大規模的生產應用，相信未來會有越來越多的復合材料投入到市場之中，為我國的科技發展貢獻力量。

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