石墨烯對高分子的改性及加工中的應用
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- 石墨烯對高分子的改性及加工中的應用摘要：石墨烯是一種新型的二維納米碳材料，具有優異的機械性能、電性能和熱性能等，是聚合物納米復合材料的理想填料。近年來，石墨烯/聚合物復合材料成為聚合物復合材料的研究熱點。本文對石墨烯對高分子的改性和聚合物加工中應用的研究進展進行了綜述。首先概述了石墨烯的各種改性途徑，然后重點總結了石墨烯/聚合物復合材料的常用制備方法及其電性能、力學性能、熱性能、氣體阻隔和阻燃性能。最后，對該領域所存在的問題進行了總結，并展望了其發展趨勢。
關鍵詞：石墨烯；高分子；改性；復合材料；制備方法
碳元素豐富存在于自然界中，對于有機生物體來說，它是必不可少的元素之一，它是各種復雜分子，比如脂肪，類固醇，碳氫化合物，有機溶劑等的基本構造單元。在碳的外層價電子層有四個電子，所以碳元素能形成多種晶體結構，比如最堅硬的金剛石以及最軟的石墨。2004 年，英國曼切斯特大學的 Novoselov 等首次使用機械剝離的方法成功制備了由碳原子以sp2雜化連接的單原子層構成的二維單層石墨烯晶體，其是目前世界上發現的最薄的材料。石墨烯的發現，不僅豐富了納米碳材料家族，形成了從零維的富勒烯，到一維碳納米管，到二維石墨烯再到三維金剛石的完整體系，其獨有的納米結構及出色的力學，熱學，電學及光學性能，使石墨烯材料的開發和研究成為繼碳納米管之后又一個國際研究熱點。由于石墨烯優異的性能以及可加工性，成本低廉等一系列優點，使石墨烯在能源、材料、電子、生物醫藥等各方面具有重要的應用價值，可望在國際新材料領域掀起一場新的技術革命。
一、石墨烯的概述
1.1石墨烯的簡介與結構
石墨烯是碳原子在二維空間緊密排列成的苯環狀結構材料，它是繼零維足球烯(fullerene)、一維碳納米管(carbon nanotube)及三維石墨(graphite)和金剛石(diamond)外一種新的碳的同素異形體。其包裹起來可形成零維足球烯，卷起來可形成一維碳納米管，堆疊則可形成三維石墨。
石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化連接形成的單原子層二維晶體，碳原子規整的排列于蜂窩狀點陣結構單元之中。其結構中每個碳原子有 4 個價電子，其中的3個電子（2s 電子、2px電子及 2py電子）形成平面的sp2雜化軌道，通過σ鍵連接相鄰3個碳原子構成六邊形平面結構；剩余一個電子位于法線方向的 pz軌道上，并與相鄰原子構成π帶，π帶對石墨烯的導電性質起著決定性的作用。每個碳原子除了以σ鍵與其他三個碳原子相連之外，剩余的π電子與其他碳原子的π電子形成離域大π鍵，電子可在此區域內自由移動，從而使石墨烯具有優異的導電性能。同時，這種緊密堆積的蜂窩狀結構也是構造其他碳材料的基本單元，單原子層的石墨烯可以包裹形成零維的富勒烯，單層或者多層的石墨烯可以卷曲形成單壁或者多壁的碳納米管。
由于二維晶體在熱力學上的不穩定性，所以不管是以自由狀態存在或是沉積在基底上的石墨烯都不是完全平整，而是在表面存在本征的微觀尺度的褶皺，蒙特卡洛模擬和透射電子顯微鏡都證明了這一點。這種微觀褶皺在橫向上的尺度在 8～10nm范圍內，縱向尺度大概為0.7～1.0nm。這種三維的變化可引起靜電的產生，所以使石墨單層容易聚集。同時，褶皺大小不同，石墨烯所表現出來的電學及光學性質也不同。...
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