石墨烯纳米复合材料特性与制备的分析与研究

吴瑞涵

（首都师范大学附属中学，北京 100048）

碳材料天生具有特殊的性质，一直为人们所关注，石墨因为具有特殊的六元环结构，有耐高温、高强度、导电、导热好的性能。石墨烯是一种碳的二维同素异形体材料，具有特殊的电学性能和良好的机械性能，同时以它为载体可制备更加优异的复合材料。

1 石墨烯概述

石墨烯是一种具有二维蜂窝状晶格结构的材料，具备独特的电性能、磁性能，是一种高强导电复合材料的理想填料。以石墨烯为载体加入其它材料可以制成多功能的，具有优异导电性、力学性能的复合材料。当前主流的石墨烯/聚合物纳米复合材料便是一种典型的石墨烯纳米复合材料。

2 石墨烯纳米复合材料特性

2.1 石墨烯的表征特性

石墨烯的小分子特性：石墨烯与碳纳米管有相识之处，可以有效的溶解于四氯化碳等有机物中，并可以得到0.3～0.5 mm厚度的石墨烯。在引入含氧官能团后，石墨烯的大π键被破坏，从而使其的导电性能减弱，使用硼氢化钠还原石墨烯，磺化接枝，再强还原剂肼进行还原，得到的改性石墨烯具有更加优异的温度性能。

石墨烯的聚合物功能化：两亲性的石墨烯便是通过聚合物功能化方法得到，通过与聚合物的化学共聚反应，利用生物相容性的特点对石墨烯进行功能化，功能化后的石墨烯具有特殊的平面二维结构，使其具有很好的生物活性。

石墨烯特殊的机械性能：因为碳都具有极好的机械性能，而石墨烯的杨氏模量高达1.0 TPa，其弹性常数5 N/m-1，断裂强度高达42 N/m-1，硬度高达400 N/m-1。因为石墨烯特殊的层数与边缘位于表面的缺陷，使其石墨烯具有突出的机械性能。使其广泛的应用于压力与力学传感器等设备，同时也是一种理想的材料增强剂。

2.2 复合材料特性

储能特性：使用石墨烯为载体将铂纳米负载到石墨烯的表面，在π-π键作用下，固态状态下产生堆叠，因为铂颗粒负载石墨烯的作用，对堆叠作用产生阻隔作用，让其各个层间保证足够的距离。同时石墨烯对铂纳米颗粒产生稳定作用，使其能稳定的保持均匀分布，从而使得这种复合材料具有非常好的电化学性能，可以用作超级电容器等储能材料。

复合材料的催化特性：石墨烯经过金属催化剂与石墨烯的非共价键作用较好的复合，使他们产生阻止贵金属颗粒的移动与团聚，进而让催化剂的稳定性能得到极大的提高，使其具有极大的催化活性及更大的电化学比表面积。

3 制备方法

3.1 溶液共混法

共混法是将聚合物的溶液与石墨烯进行混合，然后进行搅拌或者辅助以超声进行溶液共混，再加入非溶剂液进行一定的沉淀，最后进行硫化制备，得到需求的聚合物复合材料。聚合物的官能团在超声作用下，使其能够稳定的溶入溶剂之中，这个是共混制备的重要基础，对于热还原的石墨烯，可以使用改性处理，然后再溶入溶剂中。

3.2 机械混合法

机械混合法其主要是将石墨烯与配合剂在密炼机中与聚合物进行机械方式的混合，再进行硫化制备复合材料。该方法主要是在机械剪切的作用下进行分散填料，目前该制备方法是现在主流的制备石墨烯聚合物复合材料的方式，具有成本低、工艺流程简单等优点。在使用机械混合法制备石墨烯聚合物复合材料时，因为分子间的吸引力较大，使其加工难度大及聚合物与石墨烯的极性相差大，该制备方法的最大难度是如何保证石墨烯剥离并且均匀分散在聚合物中。

3.3 胶乳工混法

胶乳共混法主要为先将石墨烯分散在水中，然后再与聚合物胶乳进行混合，在经过冷凝、烘干、混合等工艺处理后制备复合材料。该方法为制备石墨烯聚合物复合材料简单有效的方法，因为聚合物一般存在胶乳中，而石墨烯则分散在水中，有利石墨烯均匀的分散在聚合物中，减少有毒的溶剂使用。

4 结语

石墨烯作为碳纳米材料中的独特的二维晶体结构材料，使其比传统的碳材料拥有更加优异和独特的特性，因为这些特殊的结构赋予它优异的物理、电子等特性。同时再以石墨烯为载体，与聚合物进行混合处理，制备出的复合材料具有比石墨烯更加优异的导电、导热性等性质。本文着重从石墨烯聚合物纳米材料的特性与其制备方法入手，对石墨烯纳米复合材料详细具体的进行了分析和研究。同时也对石墨烯纳米复合材料进一步研究提出了展望。