石墨烯材料用于道路發(fā)展展望

黃 浩

Equipment technology 裝備技術(shù)

石墨烯材料用于道路發(fā)展展望

黃 浩

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074）

石墨烯作為一種比表面積大的新型材料被廣泛用于各領(lǐng)域。瀝青與水泥作為一種非常重要的工程材料，在很多建設(shè)領(lǐng)域運(yùn)用十分廣泛，特別是在交通方面。如何將石墨烯用于道路中，改善路面狀況是一直需要解決的問題。

石墨烯；水泥基；瀝青；發(fā)展

0 前言

隨著科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家對碳材料的研究從未停息。石墨烯正是這樣的產(chǎn)物，石墨烯是SP2碳原子緊密推積形成的六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維原子晶體，是構(gòu)建其他SP2雜化碳的同素異形體的基本組成部分，可以堆垛形成三維的石墨，卷曲形成一維的碳納米管，也可以包裹形成零維的富勒烯，是碳材料家族的新成員[1]。

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、涂料、、電池、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來革命性的材料[2]。

1 石墨烯運(yùn)用簡介

對于石墨烯，一直是一個(gè)研究的熱題，從生物醫(yī)學(xué)、電子設(shè)備以及將其運(yùn)用到道路中，對于石墨烯的研究一直處于上升趨勢，而在研究過程中將石墨烯有效分散一直是一個(gè)需要解決的問題。目前對石墨烯進(jìn)行分散的方法大致分為兩種：第一種是通過物理的方法，第二種是通過尋找分散劑的方法；大多數(shù)情況下多采用尋找分散劑的方法對石墨烯進(jìn)行分散，最終添加到水泥、瀝青中提高路面路用性能。

石墨烯是一種廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的新型納米材料。研究人員致力于不同的領(lǐng)域，通過不同的方法，嘗試制備大量質(zhì)量上層的石墨烯材料。通過不斷的優(yōu)化、改進(jìn)石墨烯生產(chǎn)工藝，降低了石墨烯的制備成本，使其良好的材料性能得以更廣泛地應(yīng)用，并逐漸走向工業(yè)化。

石墨烯理論上單層厚度為0.35nm，被廣泛的認(rèn)為是現(xiàn)目前最薄的材料，同時(shí)被認(rèn)為是一種高強(qiáng)度納米材料，由于單層石墨烯具有超高的比表面積，因此被當(dāng)做其它材料附著的的理想載體被投入到各個(gè)領(lǐng)域中。在理想狀態(tài)下，石墨烯處于單層石墨烯的導(dǎo)電能力極強(qiáng)，導(dǎo)熱系數(shù)同樣極高，同時(shí)由于碳原子之間具有較高的π-π作用，使得石墨烯具有較高的韌性，因此將石墨烯運(yùn)用到各領(lǐng)域時(shí)，其結(jié)構(gòu)基本保持穩(wěn)定不易被破壞。在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域中，核心部件中添加有金屬金，能夠使電器元件能夠迅速導(dǎo)熱、導(dǎo)電，而石墨烯由于巨大的比表面積與較高的延展性，現(xiàn)目前在電池以及涂料等領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用。近些年來，石墨烯的發(fā)展一直保持著高熱的狀態(tài)，特別是在半導(dǎo)體材料研究中，由于石墨烯較獲得，將石墨烯大量運(yùn)用到半導(dǎo)體材料中，提高半導(dǎo)體材料的使用壽命，降低稀有金屬使用，從而更加節(jié)約材料與能源。

中國在石墨烯的研究過程中也具有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，從生產(chǎn)上看，作為石墨烯的原料，在我國存儲量豐富。正是看到石墨烯應(yīng)用的前景，許多國家相應(yīng)的建立了與石墨烯有關(guān)的技術(shù)研究中心，試圖將石墨烯商業(yè)化，從而在工程、科技、交通等領(lǐng)域取得潛在應(yīng)用。

在道路使用過程中，瀝青路面容易發(fā)生車轍、老化、開裂等病害，因此限制了公路的使用壽命。近年來，提高瀝青路面的交通承載能力以已成為必須要解決的問題。SBS改性瀝青在許多改性瀝青方面表現(xiàn)得更為突出，主要體現(xiàn)在高溫穩(wěn)定和低溫抗裂性，SBS是目前改性瀝青中最常見的一種瀝青。但近幾年來，研究人員發(fā)現(xiàn)，將石墨烯添加到瀝青中，同樣可以改性瀝青，并且比SBS瀝青在某種方面表現(xiàn)得更好。因此，通過對瀝青進(jìn)行摻石墨烯的改性，用于道路中能夠有效提高路面的使用性能正在不斷發(fā)展研究。

2 研究現(xiàn)狀

吳力[3]等在離子溶液氯化-1-烯丙基-3-甲基咪唑（AmimCl）中，利用水合肼對氧化石墨烯進(jìn)行了同步還原，制備出了一種可以穩(wěn)定分散在N-N二甲基甲酰胺（DMF）和乙酸丁酯溶劑中的離子液體改性石墨烯，其濃度分別為1.69mg/mL和1.12mg/mL。

Yang等[4]通過對氧化石墨烯（GO）表面進(jìn)行修飾，將修飾后的GO進(jìn)行接枝已達(dá)到修飾目的。通過修飾的GO在AFM下觀察發(fā)現(xiàn)石墨烯面積增大，層數(shù)變少，因此被修飾后能夠獲得更好的石墨烯。

Yang等[5]對氧化石墨烯的修飾后，通過TGA、AFM、SEM觀察發(fā)現(xiàn)，石墨烯品質(zhì)變好，經(jīng)修飾后的能夠獲得更多單層或者少層的石墨烯。

Fan[6]通過將石墨烯與氧化石墨烯分添加到水泥基材料中，能夠使水泥基材料成為理想的智能材料，研究結(jié)果表明，石墨烯材料的加入相應(yīng)的楊氏模量有所提高，單對應(yīng)的密度變化無差異。

袁小亞等[7]通過將氧化石墨烯（G0）在高溫的環(huán)境中制備出石墨烯（GA），將兩種材料添加到水泥材料中制備復(fù)合水泥材料，添加石墨烯后的水泥基材料能夠有效提高其穩(wěn)定性和強(qiáng)度，在酸性和耐熱耐腐蝕方面也有相應(yīng)的提高。

楊延鋒[8]將不同濃度氧化石墨烯加入到水泥中制成水泥基復(fù)合材料，當(dāng)濃度摻量為0.03%時(shí)，相應(yīng)的強(qiáng)力最佳，在水泥混凝土中反映出強(qiáng)度性能好。

徐義洪等[9]將氧化石墨烯摻入水泥漿中，在長期的不斷觀察與對比計(jì)量中發(fā)現(xiàn)，被添加氧化石墨烯后的水泥漿用以評價(jià)力學(xué)性能的抗壓及抗折強(qiáng)度相應(yīng)的增強(qiáng)，氧化石墨烯的加入促使水泥漿的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而反映在力學(xué)性能變化上。

呂岱螢[10]在現(xiàn)有研究中，將GO添加到混凝土中，分別對摻入GO的混凝土進(jìn)行7d、14d、28d抗壓測試，結(jié)果表明：當(dāng)加入GO后，隨著GO的摻量在不斷增加（0.02% ~0.08%），石墨烯摻量為0.03%時(shí)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度為最強(qiáng)。

郭賀源等[11]通過在橡膠瀝青中添加石墨烯片，將制備的改性橡膠瀝青石墨烯通過傅里葉紅外（FT-IR）以及熒光顯微鏡（E-FM）等對材料進(jìn)行評價(jià)發(fā)現(xiàn)，石墨烯的添加顯著提高了橡膠瀝青的存儲性。

楊軍等[12]用原子力顯微鏡（AFM）觀測瀝青“蜂狀結(jié)構(gòu)”，并結(jié)合圖像處理，利用分型維數(shù)來定量分析瀝青的微觀結(jié)構(gòu)，分析了瀝青老化前后其“蜂狀結(jié)構(gòu)”與分型維數(shù)的變化，有效的解釋了瀝青老化微觀與宏觀現(xiàn)象的對應(yīng)。

暢潤田[13]在SBS中添加經(jīng)過修飾后的氧化石墨烯（N-GO），將不同摻量下的N-GO復(fù)合改性瀝青進(jìn)行高溫、低溫等一系列的評價(jià)，最終結(jié)果表明，添加相應(yīng)的N-GO能夠有效的提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性等。

張霞等[14]人總結(jié)了將石墨烯復(fù)合材料在工程領(lǐng)域等方面的發(fā)展研究狀態(tài)，并在70#瀝青中添加石墨烯，對石墨烯改性瀝青從宏觀到微觀探索了石墨烯改性瀝青。根據(jù)研究結(jié)果顯示，石墨烯添加到瀝青中能夠有效提高瀝青的低溫性能，表明石墨烯在瀝青中起到?jīng)Q定性作用，能夠有效承插在瀝青中，從而延長瀝青的使用壽命。

3 石墨烯改性復(fù)合材料制備技術(shù)

在制備方法中，將石墨烯以及瀝青或者水泥基材料使用高速乳化剪切機(jī)進(jìn)行剪切，使瀝青與石墨烯充分混合。運(yùn)用正交設(shè)計(jì)等方法對石墨烯、瀝青（水泥基）、剪切時(shí)間、剪切溫度等為主要影響因素，以三大指標(biāo)、抗車轍因子為響應(yīng)值，利用DPS與1Stopt軟件進(jìn)行建模，之后得到石墨烯瀝青（水泥基）材料最佳制備工藝。

4 石墨烯復(fù)合材料性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

由于石墨烯本身為惰性材料，而通常的方法是通過原子力顯微鏡（AFM）觀察其形貌，但是不能有效的評價(jià)石墨烯的性能，因此在研究過程中將通過FT-IR以及掃描電鏡（SEM）等一系列方法評價(jià)石墨烯的分散性以及材料的物理化學(xué)性能，通過對石墨烯自身評價(jià)后，能夠指導(dǎo)石墨烯改性復(fù)合材料的制備。在微觀等一系列機(jī)理研究中，為了能夠更加直接的觀察石墨烯（水泥基）材料的結(jié)構(gòu)特征，可以結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)理論模型以及數(shù)學(xué)中的采用的有限元模型等方法。

5 石墨烯在未來交通中發(fā)展趨勢

長期以來，道路一直被認(rèn)為是主要的靜態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，且擔(dān)負(fù)著主要的承載能力，隨著人工智能化，信息智能話的不斷推出，道路建設(shè)也將迎來嶄新的局面。在不斷的發(fā)展中，道路的承載能力一直以來是一個(gè)嚴(yán)峻的問題，如何提高道路的承載力以及如何提高道路的使用壽命將是面臨的重要挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段，道路發(fā)展呈現(xiàn)建養(yǎng)模式并存，如何在養(yǎng)護(hù)的過程中盡量節(jié)約成本，提高回收的利用率，新型材料將面臨重大的挑戰(zhàn)。而石墨烯，由于具有眾多的優(yōu)異性能，在之后的道路建設(shè)中能夠不斷的提高的路面的使用性能。由于石墨烯具有環(huán)保、高效、節(jié)能等一系列優(yōu)點(diǎn)，在未來的發(fā)展中能夠節(jié)約水泥、砂漿、鋼材等一系列資源。同時(shí)，石墨烯能夠添加到梁、板、柱等建筑材料中，能夠提高道路結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減輕道路結(jié)構(gòu)自重，從而節(jié)約實(shí)際工程造價(jià)。

6 研究與不足

（1） 如何將石墨烯有效分散，最終運(yùn)用到道路領(lǐng)域，可采用分子動(dòng)力學(xué)對材料進(jìn)行模擬試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)學(xué)有限元模型等，最終對材料分散性進(jìn)行有效評價(jià)。

（2） 實(shí)驗(yàn)室通常采用添加分散劑后對石墨烯進(jìn)行超聲分散，但由于石墨烯存在著巨大的比表面積，因此很難將石墨烯有效分散在瀝青中，加入石墨烯后的瀝青中既要保證石墨烯起到作用的同時(shí)，又能保證瀝青不被破壞，最終使石墨烯在瀝青中發(fā)揮有效作用。

通過大數(shù)據(jù)平臺，不斷的收集路面出現(xiàn)的破壞情況以及各使用時(shí)段的交通承載力，針對性的對特定道路使用特定的石墨烯材料，最終可以形成一個(gè)體系。

7 結(jié)論

綜上所述，總結(jié)石墨烯的發(fā)展?fàn)顩r，一直以來石墨烯以不同形式或被直接投入生產(chǎn)或被修飾后添加到材料中，添加石墨烯后的材料從宏觀力學(xué)性能（FT-IR）變化到微觀（AFM、SEM）等變化中，石墨烯改變了原有材料的結(jié)構(gòu)，而最終體現(xiàn)在石墨烯改變材料原有物理化學(xué)性能。縱觀石墨烯的不斷發(fā)展，隨著綠色環(huán)保的意識在不斷提升，高效、清潔、節(jié)能的資源在不斷發(fā)展，石墨烯因具良好的性能而被廣泛應(yīng)用，對石墨烯研究的不斷深入，其存在許多潛在的應(yīng)用等待被發(fā)掘。然而石墨烯在經(jīng)濟(jì)方面貴如黃金，如何降低石墨烯使用成本，在實(shí)際工程中被大量應(yīng)用還有很長一段路要走。

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黃浩（1992.11- )，男，碩士，單位：重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，研究方向：道路材料。

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