石墨烯在复合材料领域的应用

高瑞方

摘 要：随着近几年石墨烯的研究进展，在复合材料领域石墨烯扮演的角色越来越重要。目前我国的企业和高校的合成材料平台正在依托于我国丰富的天然石墨烯资源而进行广泛的探索，而且提出了石墨烯在复合材料领域的研究方向。由于石墨烯拥有光学、电学、力学等特性，因而在材料、能源、生物医学等方面有着非常好的应用前景，本文针对石墨烯在复合材料领域的应用进行了探讨。

关键词：石墨烯;负荷材料;应用

一、石墨烯的制备技术

目前我们国家在研究石墨烯生产方法时主要有两个方向，分别是物理法制备和化学法制备。利用微机械剥离法能够得到高质量的石墨烯，但是由于此种方法处理出来的石墨烯通常尺寸较小，应用范围不广阔因此并不适合大规模生产，目前比较适用的还是化学方法，化学方法总共分为两种，一种是化学气象沉积法，这种方法通常是用Ni，Ru等一些过度金属来做基底，在利用甲烷和乙烯等一些小分子来高温气态的条件下发生一些化学反映，在基底层可以生长出石墨烯，这种方法目前主要用来制备墨烯薄膜，但是由于使用过渡金属作为基底，成本相对比较高。另外一种则是使用化学还原的方法，通常采用浓硫酸和发烟硝酸等强酸将天然石墨来进行氧化处理，得到氧化物之后在进行还原，这样能够得到石墨烯。这种方法制备的石墨烯微片会有一定的含氧官能团，可以与树脂等高分子基体进行结合，而且结合能力很强，通常适合制备高分子复合材料。

二、石墨烯在复合材料领域的应用

（一）聚合物基复合材料

目前很多专家学者利用了石墨烯的独特性质来将石墨烯作为纳米填料分散在聚合物或无机基质中，而且取得了不错的效果。目前很多研究集中在聚合物基体上，在抗拉强度、电导率和导热系数等参数上都有了很大程度的提高。但是由于石墨烯是一种很新的材料，因此目前在该领域的研究仍然处于起步的阶段，还存在着一些问题等待解决。石墨烯和传统的填料相比有很大的优势，比如其机械性和传输性能会大大增加，虽然传统的碳纳米管也具有这样的特性，但是石墨烯在二维形状、单原子厚度和边缘原子上的应用有非常巨大的优势。目前石墨烯被用在一些仿生复合材料上，这是一个新兴的领域，使用碳纤维和石墨烯来增强一些功能，通过一些试验可以实现石墨烯的片层化多功能表面，这是下一代柔性电子产品的理想材料。

（二）陶瓷基复合材料

陶瓷材料在我国应用比较广泛，而且有着悠久的历史，从工程的角度来讲陶瓷材料有着很多非常好的性质。比如陶瓷的耐火性，陶瓷可以在温度大于600℃的条件下仍然能够保持材料的强度和硬度，但是在陶瓷材料应用的过程中其低韧性是比较大的缺点。想要增加陶瓷的韧性就要加入第二种材料，在石墨烯技术未得到应用时用的是含纤维复合材料或碳纳米管-陶瓷复合材料，这种材料具有导电性，但是由于陶瓷的硬度强韧性低的特点使得这种材料的加工成本相当高。通过一系列的科学认证，可以将石墨烯应用在陶瓷材料上，做成石墨烯/陶瓷复合材料，这种材料有着比较明显的韧性和导电性。与碳纳米管相比，石墨烯陶瓷复合材料成本和商业利用率相对比较低，工艺条件并不严格，这算是一个比较大的优势。

（三）化学改性石墨烯的复合材料

利用化学合成可以创造出一种新型的二维形状的材料，在用石墨烯片作为模版，利用固定在石墨烯衬底上的有机或无机粒子来制造更复杂和功能更强的二维材料，这样不仅仅能够避免了纳米材料的聚集，还能够提高电导率。目前很多科学家已经找到了一些方法通过化学改性来提高这种复合材料的性能。为了整合其独特的性质，科学家已经对石墨烯和无机纳米材料的二维纳米复合材料开展了研究。其中一种方法是用石墨烯和已经制备好的无机纳米粒子进行组装，另外一种则是无机纳米粒子在石墨烯表面的原位生长，目前这两种方法是比较常用的方法，很多科学研究也基于这两种方法来进行技术上的探索。

（四）光子聚合物复合材料

随着我国科技的发展，光学网络的需求可谓是越来越大，光学网络的发展需要满足性能标准和经济要求的光子元件，需要利用新的技术提高产量同时降低成本，而且还要有很高的性能。光通信系统需要光源和探测器，但是传统的一些光学元件操作非常不方便，而且对于失调非常敏感，很容易发生一些不稳定的状态，而这些问题的存在确实制约了光学网络的发展，如何解决这些问题科学家们非常烦恼，而所有的这些问题都能够在集成光學系统中进行避免。目前科学家们聚焦的技术难题是要开发一种嵌入石墨烯的光学和电子功能的新型聚合物光电器件，这些器件如果实现将会带来很大的改革。这些器件不仅仅在光学通信领域会得到很广阔的应用，而且会在生物医疗仪器，化学分析仪器，显微镜和外科手术等等领域得到很大范围的应用，这样的应用会给很多技术领域带来质的改变，会有很好的应用前景。正因为如此，目前很多科学家也在石墨烯的新型光子聚合物上扎根研究，希望得到比较好的应用结果，这也是很多科学家的主要研究方向。当然光聚合物复合材料还有很多技术难题等待被解决，也有很多人目前对这种技术是否可行存在着一些质疑，但是每一次技术的变革都会引起人们的广泛猜测，但是猜测和质疑并不能影响科学家们的脚步，在科研的道路上往往质疑会成为前进的动力。

三、结语

目前虽然有很多专家和学者已经对石墨烯复合材料进行了大量的科学试验研究，但是石墨烯复合材料的应用还需要一定的时间。当然目前有一些复合材料已经有一定的技术成熟度，并且已经开始用于商业水平和大规模的生产应用，相信未来会有越来越多的复合材料投入到市场之中，为我国的科技发展贡献力量。

参考文献：

[1]叶琳，邓思杨.石墨烯在复合材料领域的应用研究[J].新材料产业，2019（11）：25-27.

[2]傅金祥，孟海停，何祥，谷文艺，李晓溪，何鹏飞.石墨烯及其复合材料在环境领域中的应用研究进展[J].环境污染与防治，2018，40（05）：609-615.

[3]张彩丽.石墨烯在复合材料领域的应用研究进展[J].合成树脂及塑料，2016，33（05）：95-98.