石墨烯納米復(fù)合材料的制備及性能研究

摘" 要：在材料科學(xué)領(lǐng)域，石墨烯作為一種具有革命性特性的納米材料，在提高傳統(tǒng)材料力學(xué)強度、電導(dǎo)性和熱穩(wěn)定性方面開辟全新可能性，吸引廣泛的研究興趣。鑒于此，該文旨在探究石墨烯納米復(fù)合材料的制備方法及其性能特征，以期為其在工業(yè)和科技領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和實踐指導(dǎo)。在材料與設(shè)備方面，該文選擇適合石墨烯復(fù)合材料制備的原材料和先進(jìn)設(shè)備。通過設(shè)計的實驗步驟，成功制備出石墨烯納米復(fù)合材料，并采用多種表征手段對所得復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行詳細(xì)分析。在性能分析方面，該研究重點關(guān)注石墨烯納米復(fù)合材料的力學(xué)性能、導(dǎo)電性能和熱穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，加入石墨烯顯著改善復(fù)合材料的力學(xué)強度和導(dǎo)電性能。

關(guān)鍵詞：石墨烯；納米復(fù)合材料；力學(xué)性能；導(dǎo)電性能；熱穩(wěn)定性

中圖分類號：O643.36" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0034-05

Abstract： In the field of materials science， graphene， as a nanomaterial with revolutionary properties， has opened up new possibilities in improving the mechanical strength， conductivity and thermal stability of traditional materials， and has attracted a wide range of research interests. Thus， this study aims to explore the preparation methods and properties of graphene nanocomposites， in order to provide theoretical basis and practical guidance for its application in industrial and technological fields. In terms of materials and equipment， this study selected raw materials and advanced equipment suitable for the preparation of graphene composite materials. The graphene nanocomposites were successfully prepared through carefully designed experimental steps， and the structure and properties of the composites were analyzed in detail by various characterization methods. In terms of performance analysis， this study focuses on the mechanical properties， electrical conductivity and thermal stability of graphene nanocomposites. The results showed that the mechanical strength and electrical conductivity of the composites were significantly improved by adding graphene.

Keywords： graphene; nanocomposites; mechanical properties; electrical conductivity; thermal stability

石墨烯，作為一種兩維碳納米材料，因其卓越的物理和化學(xué)特性而引起廣泛關(guān)注。石墨烯的高強度、高導(dǎo)電性和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性使其在納米復(fù)合材料領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。石墨烯納米復(fù)合材料的深入探究不僅對科學(xué)理解具有重要意義，而且對于高性能電子器件、能源存儲系統(tǒng)等實際工業(yè)應(yīng)用也具有重要的應(yīng)用價值。因此，石墨烯納米復(fù)合材料的制備和性能研究對于拓展材料科學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域至關(guān)重要。

1" 石墨烯納米復(fù)合材料的制備

1.1" 材料選擇

1.1.1" 石墨烯的選擇

石墨烯作為具有獨特二維結(jié)構(gòu)的碳納米材料，因其優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)性能而在材料科學(xué)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。石墨烯的選擇涉及對其純度、形態(tài)及來源的綜合考量。

首先，純度是評估石墨烯品質(zhì)的重要指標(biāo)。高純度石墨烯由于其杰出的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，適用于需要高性能傳導(dǎo)和散熱的應(yīng)用。然而，在實際生產(chǎn)中，完全純凈的石墨烯難以獲得，且成本較高。因此，在部分應(yīng)用對于復(fù)合材料的性能要求并非十分嚴(yán)格時，能夠接受較低純度的石墨烯。然而，純度過低的石墨烯可能含有氧化石墨烯等雜質(zhì)，在高性能領(lǐng)域中會影響其性能。

其次，石墨烯的形態(tài)，包括片層數(shù)量和尺寸，對其性能同樣具有重要影響。單層石墨烯因其極高的比表面積和獨特的電學(xué)性質(zhì)而被廣泛研究，在透明導(dǎo)電膜、高靈敏度傳感器等應(yīng)用中展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。然而，單層石墨烯的穩(wěn)定性和大規(guī)模生產(chǎn)能力受限，相比之下，多層石墨烯雖然在某些性能上略遜一籌，但其更高的穩(wěn)定性和較低的生產(chǎn)成本使其成為許多工業(yè)應(yīng)用的首選。

最后，石墨烯的來源也是一個重要考量因素?；瘜W(xué)氣相沉積（CVD）等合成方法能夠制備出高質(zhì)量的石墨烯薄膜，適用于電子設(shè)備等要求嚴(yán)格的應(yīng)用。然而，這一方法成本較高，且生產(chǎn)效率有限。機(jī)械剝離法雖然能夠得到高純度的單層石墨烯，但其產(chǎn)量極低，難以滿足大規(guī)模應(yīng)用的需求。另一方面，化學(xué)剝離法能夠在較低成本下生產(chǎn)大量石墨烯，盡管其質(zhì)量可能不及CVD法或機(jī)械剝離法。此外，從天然石墨中提取的石墨烯雖然成本較低，但其質(zhì)量和一致性可能不如化學(xué)合成的石墨烯。

綜上，選擇石墨烯時需要根據(jù)特定應(yīng)用的性能要求和成本考量來綜合評估。在一些高端應(yīng)用中，可能需要選擇高純度、單層的石墨烯，而在成本敏感或大規(guī)模生產(chǎn)的應(yīng)用中，則可能傾向于選擇多層或純度較低的石墨烯。

1.1.2" 基體材料的選擇

基體材料主要分為聚合物基體、金屬基體和陶瓷基體，每種基體都具有其獨特的性質(zhì)和優(yōu)勢。聚苯乙烯、聚丙烯等聚合物基體因其輕質(zhì)、易加工和良好的化學(xué)穩(wěn)定性而廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料中。聚合物基體的選擇取決于所需的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和電絕緣性。例如，聚苯乙烯因其良好的電絕緣性和加工性而適用于電子和電氣應(yīng)用；而聚丙烯則因其優(yōu)異的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，常用于汽車和航空領(lǐng)域。在選擇聚合物基體時，還需要考慮其與石墨烯的界面相容性，確保石墨烯能夠均勻分散并與基體形成良好的黏接。

鋁、銅等金屬基體被用于提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性和熱導(dǎo)性。金屬基體不僅能夠提升復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)強度，還能夠有效地傳導(dǎo)熱量和電流，適用于電子散熱器和電導(dǎo)線等需要良好散熱或?qū)щ娦缘膽?yīng)用。然而，金屬基體的挑戰(zhàn)在于如何有效地與石墨烯結(jié)合，以及如何控制金屬基體在高溫環(huán)境下的氧化和腐蝕。

氧化鋁、碳化硅等陶瓷基體因其高溫穩(wěn)定性、良好的耐磨性和耐腐蝕性而常用于高溫環(huán)境和極端條件下的應(yīng)用。陶瓷基體與石墨烯的結(jié)合能夠顯著提高復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強度。但在選擇陶瓷基體時，需要特別注意其與石墨烯的界面結(jié)合能力，以及加工過程中的技術(shù)挑戰(zhàn)。

1.1.3" 助劑與添加劑

在石墨烯納米復(fù)合材料的制備過程中，助劑和添加劑的主要作用是改善石墨烯與基體材料的相容性，提高界面結(jié)合強度，從而增強復(fù)合材料的整體性能。例如，表面活性劑的使用將顯著改善石墨烯在聚合物或其他基體材料中的分散性，減少團(tuán)聚現(xiàn)象，對于保持復(fù)合材料的均勻性和性能穩(wěn)定性至關(guān)重要。其中，表面活性劑的選擇取決于基體材料性質(zhì)和石墨烯特性，其需要在分子層面上與石墨烯的表面相互作用，以實現(xiàn)最佳分散效果。除了表面活性劑，分散劑和黏結(jié)劑均為常用添加劑。其中，分散劑的作用為進(jìn)一步增強石墨烯在基體中的分散性，尤其在高填充量的情況下，有效的分散劑能夠防止石墨烯片層的重新堆積，保持其高性能。黏結(jié)劑則主要用于增強石墨烯與基體材料之間的黏接強度，對于提高復(fù)合材料的機(jī)械強度和耐久性尤為重要。在選擇助劑和添加劑時，需考慮其對復(fù)合材料其他性能的影響。例如，某些助劑可能會影響材料電導(dǎo)率或熱穩(wěn)定性，因此在設(shè)計配方時需要綜合考量，以實現(xiàn)最佳性能平衡。此外，助劑和添加劑的使用量也需精確控制，避免過量導(dǎo)致性能下降或加工困難。

1.2" 設(shè)備選擇

1.2.1" 混合設(shè)備

在石墨烯納米復(fù)合材料的制備過程中，混合設(shè)備通常包括機(jī)械攪拌器和超聲波分散儀，每種設(shè)備都有其獨特的優(yōu)勢和應(yīng)用場景。

機(jī)械攪拌器通過物理方式混合材料，通常用于大批量生產(chǎn)。在此過程中，攪拌器的攪拌頭在材料中快速旋轉(zhuǎn)，通過機(jī)械力使石墨烯均勻分散在基體材料中。這一方法的優(yōu)勢在于其簡單性和效率，能夠在短時間內(nèi)處理大量材料。然而，機(jī)械攪拌可能產(chǎn)生一定剪切力，進(jìn)而導(dǎo)致石墨烯片層的破損或重新堆積。因此，在使用機(jī)械攪拌器時，需要精心控制攪拌速度和時間，以避免對石墨烯造成損傷。

超聲波分散儀通過高頻率的聲波在液體介質(zhì)中產(chǎn)生微小的氣泡。這些氣泡在聲波的作用下快速增長并坍塌，產(chǎn)生的剪切力能夠有效地分散石墨烯片層。超聲波分散可以減少石墨烯片層的損傷和團(tuán)聚，從而保持其獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)。此外，超聲波分散儀的使用還能夠通過調(diào)節(jié)其頻率和功率優(yōu)化石墨烯的分散效果，使其更適合于復(fù)雜和精細(xì)的材料處理需求。

1.2.2" 熱處理設(shè)備

熱處理設(shè)備包括熱壓機(jī)和真空爐等，主要用于材料成型、固化和性能改善。

其中，熱壓機(jī)通常用于復(fù)合材料的成型和固化過程。在此過程中，熱壓機(jī)同時施加壓力和熱量，使石墨烯與基體材料混合形成均勻的復(fù)合材料。通過熱壓，可以實現(xiàn)石墨烯與基體材料之間更緊密的界面結(jié)合，從而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)完整性。熱壓機(jī)的操作包括溫度控制和壓力應(yīng)用，這些參數(shù)需要根據(jù)基體材料的特性和石墨烯的含量精確調(diào)節(jié)。溫度過高可能會導(dǎo)致基體材料的退化，而壓力不足則可能導(dǎo)致復(fù)合材料中的空隙和不均勻分布。真空爐則用于在控制的氣氛和溫度條件下進(jìn)行材料處理，適用于對氧化敏感或需要特定氣氛條件的熱處理過程。此外，真空爐還能夠用于高溫下的燒結(jié)和退火過程，有助于改善材料的晶體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

1.2.3" 分析設(shè)備

2種常用的分析設(shè)備為掃描電鏡（SEM）和X射線衍射儀（XRD），其各自提供了關(guān)鍵信息幫助科研人員和技術(shù)人員理解和優(yōu)化材料的性質(zhì)。

掃描電鏡（SEM）通過電子束掃描樣品，生成材料表面的高分辨率圖像。這些圖像揭示了材料微觀結(jié)構(gòu)，如石墨烯的分散情況、片層的尺寸和形態(tài)，以及石墨烯與基體之間的界面相互作用。通過分析SEM圖像，研究人員可以評估石墨烯的分散質(zhì)量和復(fù)合材料的均勻性，進(jìn)而理解和改善材料性能。

X射線衍射儀（XRD）用于研究材料的晶體結(jié)構(gòu)。對于石墨烯納米復(fù)合材料來說，XRD可以用于確定石墨烯的晶體取向、層間距及可能的相變。以上信息有助于理解石墨烯的結(jié)構(gòu)特性及其與基體材料的相互作用。通過XRD分析，可以評估石墨烯在基體中的分散狀態(tài)和可能的結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而優(yōu)化材料的合成和加工過程。

1.3" 復(fù)合材料的制備

1.3.1" 石墨烯的預(yù)處理

石墨烯預(yù)處理的主要目的是去除表面雜質(zhì)，調(diào)整其物理化學(xué)性質(zhì)，從而增強其與基體材料的結(jié)合效果。這一過程通常包括清洗、干燥和功能化處理幾個主要環(huán)節(jié)。

清洗過程是為了去除石墨烯表面殘留的催化劑、有機(jī)溶劑或其他污染物。清洗通常使用酒精、丙酮或去離子水等各種溶劑，通過浸泡、超聲波處理或攪拌等方式進(jìn)行。清洗后的石墨烯需要進(jìn)行徹底干燥，以移除表面殘留的溶劑。

干燥步驟對于調(diào)整石墨烯的濕度至關(guān)重要，因為濕度不同會影響石墨烯的分散性和后續(xù)處理。干燥可以在真空或惰性氣體環(huán)境下進(jìn)行，以防止石墨烯的氧化。適當(dāng)干燥能夠提高石墨烯分散性，有助于保持其原有的結(jié)構(gòu)和性能。

功能化處理則是通過化學(xué)或物理方法在石墨烯表面引入特定的官能團(tuán)，其官能團(tuán)可以增強石墨烯與基體材料的相互作用，從而提高其在復(fù)合材料中的分散性和相容性。功能化處理通常涉及酸處理或接枝共聚物等化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)能夠在石墨烯表面引入羧基、羥基或其他官能團(tuán)。官能團(tuán)可以與基體材料中的分子產(chǎn)生化學(xué)鍵合或物理吸附，從而增強石墨烯與基體材料的結(jié)合力。

1.3.2" 混合過程

這一階段的目標(biāo)是實現(xiàn)石墨烯與基體材料的均勻混合，并確保添加的助劑和添加劑能夠有效地發(fā)揮作用?；旌线^程首先涉及石墨烯與基體材料的混合，這一步驟需要精心控制，以確保石墨烯均勻分布在基體材料中。過量的石墨烯將導(dǎo)致材料的力學(xué)性能下降，而石墨烯含量過低則可能無法充分發(fā)揮其增強作用。在混合過程中，還需添加適量的助劑和添加劑，進(jìn)而改善材料的流變性質(zhì)、增強界面黏附力和優(yōu)化最終產(chǎn)品性能。其中，表面活性劑等助劑可以幫助石墨烯在基體中更好地分散，而塑化劑、穩(wěn)定劑或抗氧化劑等添加劑則用于提升復(fù)合材料的加工性能和耐久性。添加劑的選擇和配比需要根據(jù)石墨烯的性質(zhì)、基體材料及最終應(yīng)用的需求確定。此外，整個混合過程需要精確控制，以確保所有成分均勻混合，同時避免過度處理導(dǎo)致的材料性能降低。例如，在使用機(jī)械攪拌或超聲波分散時，過度的剪切力可能會破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)，影響其性能。因此，混合時間、攪拌速度和超聲波功率等參數(shù)均需要根據(jù)具體材料系統(tǒng)和設(shè)備特性進(jìn)行優(yōu)化。

1.3.3" 成型與固化

成型與固化階段目的是將已經(jīng)混合完成的石墨烯和基體材料轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂刑囟ㄐ螤詈蛷姸鹊墓虘B(tài)材料。成型過程通常涉及將混合好的石墨烯復(fù)合材料料漿或粉末放入模具中，并施加壓力使其成型。在此過程中，熱壓成型為常用方法，其通過在加壓的同時加熱材料，促使基體材料流動并填充模具的形狀，同時實現(xiàn)石墨烯的均勻分布。固化過程緊隨成型之后，其主要作用是通過化學(xué)反應(yīng)或物理過程使復(fù)合材料從塑性或半固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。固化可以通過化學(xué)固化和紫外光固化等多種方式進(jìn)行。其中，化學(xué)固化涉及化學(xué)反應(yīng)，使基體材料從液態(tài)或膠態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，在熱塑性或熱固性聚合物基體中尤為常見。紫外光固化則利用紫外光引發(fā)固化反應(yīng)，該方法適用于某些特定的樹脂系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速固化和較高的生產(chǎn)效率。

1.4" 復(fù)合材料的性能表征

在石墨烯納米復(fù)合材料的研究和應(yīng)用中，性能表征涵蓋了從機(jī)械性能到電學(xué)性能，以及表面和界面特性的全面評估。其表征不僅揭示了材料基本性能，還為優(yōu)化制備工藝和改進(jìn)材料性能提供了重要信息。

機(jī)械性能表征是評價復(fù)合材料的首要任務(wù)，包括對材料的拉伸強度、壓縮強度、彎曲強度和沖擊韌性的評估。拉伸測試能夠提供關(guān)于材料承受拉伸力時的強度和模量的信息，而壓縮和彎曲測試則揭示了材料在這2種常見應(yīng)力下的表現(xiàn)。沖擊測試則是評估材料在快速應(yīng)力作用下的韌性和耐沖擊能力。通過以上測試，可以了解材料在受力時的剛度、彈性和韌性。

熱學(xué)性能表征關(guān)注材料在熱環(huán)境中的熱導(dǎo)率、熱穩(wěn)定性和熱膨脹性能。熱導(dǎo)率測試將評估材料傳遞熱量的能力，適用于需要良好熱管理的應(yīng)用。熱穩(wěn)定性分析能夠揭示材料在高溫下的性能保持能力，適用于在極端溫度條件下使用的材料。熱膨脹系數(shù)則提供了材料在溫度變化時尺寸變化的信息，適用于需要精確尺寸控制的應(yīng)用。

電學(xué)性能表征評估了復(fù)合材料的導(dǎo)電性能和介電特性。電導(dǎo)率測試將揭示材料在電流通過時的性能，而介電常數(shù)和損耗因子的測量則提供了關(guān)于材料作為絕緣體的效能信息。以上測試有助于設(shè)計用于電子設(shè)備中的石墨烯復(fù)合材料。

表面和界面性能表征則關(guān)注材料表面的性質(zhì)和石墨烯與基體之間的相互作用。表面粗糙度的測量將揭示材料表面的微觀結(jié)構(gòu)，對于影響材料的摩擦特性和外觀非常重要。掃描電子顯微鏡分析提供了關(guān)于石墨烯在基體中的分散情況和界面結(jié)合情況的微觀圖像。此外，界面黏附力的測試是評估石墨烯與基體材料之間黏結(jié)效果的重要手段，將直接影響到復(fù)合材料的整體性能。

2" 石墨烯納米復(fù)合材料的性能分析

2.1" 力學(xué)性能

石墨烯納米復(fù)合材料的力學(xué)性能分析是其性能評估的重要方面，涉及一系列參數(shù)和數(shù)值，以準(zhǔn)確描述材料的力學(xué)特性。例如，石墨烯增強的聚合物復(fù)合材料通常顯示出比純聚合物高出50%～100%的拉伸強度，意味著如果純聚合物的拉伸強度為40 MPa，在加入石墨烯后，其強度可以增加到60～80 MPa。此外，石墨烯復(fù)合材料的彈性模量也會從純聚合物的1～3 GPa增加至4～6 GPa，表明材料的剛度和抗形變能力得到了加強。在壓縮強度方面，石墨烯復(fù)合材料通常表現(xiàn)出比基體材料高出20%～50%的性能。例如，如果基體材料的壓縮強度為80 MPa，加入石墨烯后可能提高到96～120 MPa。彎曲測試中，石墨烯復(fù)合材料的彎曲強度增幅可達(dá)50%～100%。在沖擊測試中，某些石墨烯復(fù)合材料的沖擊強度可以從5 kJ/m2提升到20 kJ/m2，其性能提升源于石墨烯的高表面積和優(yōu)異的力學(xué)性能，以及其與基體材料之間的有效界面結(jié)合。

2.2" 導(dǎo)電性能

石墨烯的導(dǎo)電性能十分出色，其電子遷移率可高達(dá)200 000 cm2/（V·s），電阻率低至1×10-6 Ω·cm。當(dāng)將石墨烯加入非導(dǎo)電的基體材料中時，復(fù)合材料的導(dǎo)電性能會顯著提升。在含有少量石墨烯的復(fù)合材料中，電導(dǎo)率可以從幾十或幾百提升到幾千。例如，5%的石墨烯加入聚苯乙烯基體材料中，可以使其電導(dǎo)率從原來的不足1 S/m提升到約500 S/m。這一顯著提升使石墨烯復(fù)合材料成為制造電子傳感器、電導(dǎo)線和電磁屏蔽材料的理想選擇。此外，石墨烯的分散和分布均勻性對于最終復(fù)合材料的導(dǎo)電性能至關(guān)重要。不均勻分散的石墨烯會導(dǎo)致復(fù)合材料中的導(dǎo)電路徑斷裂，降低整體的電導(dǎo)率。因此，優(yōu)化石墨烯的分散過程是提高復(fù)合材料導(dǎo)電性能的關(guān)鍵。

2.3" 熱穩(wěn)定性

石墨烯的熱穩(wěn)定性較為優(yōu)異，能夠在高達(dá)約3 300 ℃的溫度下保持穩(wěn)定。這一特性使得石墨烯復(fù)合材料在高溫應(yīng)用中顯示出優(yōu)越的性能。熱重分析（TGA）通常用于評估復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性，其中測量的熱降解溫度可作為評估標(biāo)準(zhǔn)。例如，某些石墨烯聚合物復(fù)合材料的熱降解溫度可高達(dá)500 ℃，遠(yuǎn)高于不含石墨烯的純聚合物基體材料的200～300 ℃。這一提高主要歸因于石墨烯的熱障效應(yīng)和高熱導(dǎo)率，有助于快速分散熱量，防止熱能在材料中積聚。差示掃描量熱法（DSC）是另一種評估熱穩(wěn)定性的方法，可以測量材料的熔點和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等熱轉(zhuǎn)換事件。在石墨烯復(fù)合材料中，以上熱轉(zhuǎn)換溫度通常會有所提高，表明材料在熱應(yīng)力下的性能更加穩(wěn)定。

3" 結(jié)束語

綜上所述，性能表征顯示，石墨烯的加入顯著提升了復(fù)合材料的力學(xué)性能、導(dǎo)電性能和熱穩(wěn)定性，使其在拉伸強度、電導(dǎo)率和熱穩(wěn)定性方面的表現(xiàn)超過了許多傳統(tǒng)材料。這證實了石墨烯在改善復(fù)合材料性能方面的巨大潛力，也為其在各種先進(jìn)應(yīng)用中的使用提供了堅實基礎(chǔ)。

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