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什么是石墨烯复合材料?

2018-01-03 10:35:00
作者:本网整理
来源:中国复合材料学会、纺织导报

石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。它是目前自然界最薄、强度最高的材料,断裂强度比最好的钢材还要高200倍,同时它又有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。但是,石墨烯很难作为单一原料生产某种产品,而主要是利用其突出特性与其它材料体系进行复合,从而获得具有优异性能的新型复合材料。

    石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。它是目前自然界最薄、强度最高的材料,断裂强度比最好的钢材还要高200倍,同时它又有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。但是,石墨烯很难作为单一原料生产某种产品,而主要是利用其突出特性与其它材料体系进行复合,从而获得具有优异性能的新型复合材料。


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    石墨烯复合材料的结构


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    石墨烯负载的复合材料:在石墨烯表面引入第二组分并在其表面进行外延伸展得到的复合材料。


    石墨烯包裹的复合材料:用石墨烯片将第二组分包裹得到的复合材料,可以更有效地防止第二组分的聚合。


    石墨烯内嵌的复合材料:将石墨烯纳米片作为填充物充分分散在第二组分的基体相中得到的复合材料。其中,基体相可以是纳米材料,也可以是块体材料组成。


    基于石墨烯的层状复合材料:将第二组分和石墨烯片交替堆积而成,该结构可以使石墨烯与第二组分的接触面积最大化,并有利于电子的产生、传输和分离。


    石墨烯基复合材料的分类

 

    石墨烯具有诸多优异的性能,如导电导热性好、韧性好、比表面积大等等,这些性能使得石墨烯基复合材料呈现出许多优异的特性。如以石墨烯为载体负载纳米粒子,可以提高这些粒子的催化性能、传导性能;利用石墨烯较好的韧性,将其添加到高分子中,可以提高高分子材料的机械性能和导电性能。按第二组分的不同,可将石墨烯复合材料分为石墨烯-纳米粒子复合材料、石墨烯-聚合物复合材料和石墨烯-碳基材料复合材料。


    石墨烯-纳米粒子复合材料


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    纳米粒子独特的物理化学性质引起纳米科学工作者的极大兴趣,但寻找合适的载体成为纳米粒子广泛应用的一个难题。石墨烯与其他碳材料(碳纳米管、富勒烯等)相比,表现出优异的电学、光学等物理化学性质,以及有较低的制备成本,使得石墨烯成为了纳米粒子的潜在载体。由于片层间范德华力的作用,石墨烯往往存在着不可逆的团聚现象,而存在于石墨烯层间的纳米粒子正好起到分离邻近石墨烯片层、 防止发生团聚的作用。近年来,人们创造性地将石墨烯与纳米粒子复合起来,形成了一个新的研究领域。


    石墨烯-聚合物复合材料


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    之前已经有许多关于碳基材料-聚合物复合材料的报道,特别是基于碳纳米线、碳纳米管和富勒烯-聚合物复合材料的研究,作为碳材料家族独特的一员,石墨烯同样可以作为添加材料或载体与聚合物进行复合。石墨烯由于其独特的结构和性能,在改善聚合物的热性能、力学性能和电性能等方面具有相当大的应用价值。


    石墨烯-碳基材料复合材料


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    石墨烯除了能够和纳米粒子、高聚物复合外,还可以与其他碳基材料(碳纳米管、富勒烯等)组装形成复合材料,这些碳基材料可以相互组合而呈现出一些优越的性能。


    石墨烯复合材料的应用


    在催化领域的应用


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    由于石墨烯具有优异的导电性、导热性和结构稳定性等性能,并具有改性担载金属催化剂的作用,使得石墨烯基催化剂拥有了许多特殊的催化活性。


    在电化学领域的应用


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    为了得到高比容超级电容器,一些研究组设计合成了多种石墨烯复合材料,并将其应用于电极材料,如:聚苯胺/石墨烯、MnO2/石墨烯等。但是石墨烯易发生团聚而不能有效利用,这也是石墨烯在电化学领域广泛应用的一个难题。


    在生物医药领域的应用


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    石墨烯的部分双键被氧化以后转化为石墨烯氧化物,其所携带的羟基、羧基、环氧基、羰基等亲水性官能团,让石墨烯氧化物可以在水溶液或生理溶液中稳定存在,具有较高的水溶性,有望像溶液一样适应于静脉注射;另外,石墨烯还具备低毒性、比表面积大等特点,在药物载体中有潜在的应用价值。目前石墨烯复合材料在生物医药领域的应用存在载药种类少和治愈范围小等缺点,其负载抗癌药物主要为盐酸阿霉素、三苯氧胺柠檬酸盐和喜树碱类等,未来可将石墨烯复合物应用于蛋白和基因药物靶向运输和治疗等更深层次方面。


    在含能材料领域的应用


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    炸药在国防、民用等各个领域都是不可替代的,所以它的安全性是很重要的,既要能稳定的存在又要便于检测。而石墨烯具有一定的钝感性和导电导热性,在含能材料领域有一定的应用价值,目前主要体现在炸药传感器和包覆降感上。

 

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责任编辑:王元

 


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