石墨烯聚合物復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀及前景論文-文庫吧
2025-06-07 16:10 本頁面
【正文】 保持不變的。因此石墨烯有耐高溫的特性，其熱穩(wěn)定性很好。｛18｝②：力學(xué)性能石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)。由于石墨烯由單原子層構(gòu)成，其比表面積極其大，理論計算值高達(dá)2 310 m2/g。研究人員使用原子尺寸的金屬和鉆石探針對石墨烯進(jìn)行穿刺，測試其強(qiáng)度，讓科學(xué)家震驚的是，石墨烯的強(qiáng)度高達(dá) 130 GPa，比世界上最好 的 鋼 鐵 還 高 100 倍，比 高 強(qiáng) 碳 纖 維 還 高 20倍。哥倫比亞大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每 100 nm 距離上可承受的最大壓力居然達(dá)到了大約 2. 9 μN(yùn)。據(jù)科學(xué)家們測算，這一結(jié)果相當(dāng)于要施加 26 N 的壓力才能使 1 m長的石墨烯斷裂。｛18｝③：電學(xué)性能石墨烯的導(dǎo)電性能非常優(yōu)異。馬里蘭大學(xué)納米技術(shù) 和 先 進(jìn) 材 料 中 心 的 物 理 學(xué) 教 授 Michael S．Fuhrer 領(lǐng)導(dǎo)的科研小組的實驗表明，石墨烯的電子遷移率不隨溫度而改變。他們在 50 K 和 500 K之間測量了石墨烯的電子遷移率，發(fā)現(xiàn)無論溫度怎么變化，電子遷移率大約都是150 000 cm2/(Vs)，而硅的電子遷移率為1 400 cm2/(Vs)，其電子遷移速度比硅快 100 多倍。另外，石墨烯的氧化物與干凈的石墨烯相比又表現(xiàn)出迥異的電子結(jié)構(gòu)，研究計算顯示隨著石墨烯表面吸氧量的增加，石墨烯從零帶隙的半金屬將轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體，完全氧化后則變?yōu)榻^緣體，石墨烯氧化物經(jīng)還原后可以轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體。因此，石墨烯的氧化過程能夠?qū)崿F(xiàn)對石墨烯電子結(jié)構(gòu)的調(diào)變。經(jīng)過溶液分散的石墨烯氧化物也可以和聚合物等其他材料相混合并形成復(fù)合材料體系，表現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能。因而石墨烯是未來的半導(dǎo)體材料理想的替代品，極有可能替代硅，以推動微電子技術(shù)繼續(xù)向前發(fā)展。｛18｝石墨烯/ 聚合物復(fù)合材料要想真正實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用, 石墨烯的大規(guī)模、低成本、可控的合和制備是首要問題。目前制備石墨烯的方法主要包括 4 種: ( 1) 微機(jī)械分離法。 ( 2) 外生長法。 ( 3) 化學(xué)氣相沉積法。 ( 4) 氧化石墨烯還原法。其中, 微機(jī)械分離法制得的石墨烯產(chǎn)量少, 不適合工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用。外延生長法和氣相沉積法可以制備大面積、高質(zhì)量的石墨烯, 非常適合基礎(chǔ)研究以及在電子領(lǐng)域的應(yīng)用, 但目前的生產(chǎn)規(guī)模難以達(dá)到滿足制備石墨烯/ 聚合物復(fù)合材料的需求?，F(xiàn)在已經(jīng)成功實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的方法是氧化石墨烯還原法。｛12｝顯然，對于石墨烯的性能研究為其在復(fù)合材料的應(yīng)用提供了有利的科學(xué)依據(jù)，和必要的試驗方法及數(shù)據(jù)。但是聚合物復(fù)合材料的界面性質(zhì)和石墨烯界面的良好相容性，和石墨烯在聚合物復(fù)合材料中均勻的分散是決定石墨烯/聚合物復(fù)合材料應(yīng)用的關(guān)鍵性問題。A：石墨烯的界面性質(zhì)及改性為了充分發(fā)揮石墨烯的優(yōu)良性質(zhì)改善其成型加工性一般通過引入特定的官能團(tuán)對石墨烯進(jìn)行有效的功能化改性進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域 功能化改性的方法主要有共價鍵功能化和非共價鍵功能化兩種 其中共價鍵功能化主要是依靠氧化石墨烯中的羥基和羧基等官能團(tuán) 得到含有大量的羥基和羧基的改性石墨烯 而非共價鍵功能化中離子鍵功能化和氫鍵功能化 也是依靠氧化石墨烯中的羥基和羧基與其他物質(zhì)的作用 那么功能化的石墨烯可以在水以及有機(jī)溶劑中獲得很好的溶解性非常適合于制備高性能的聚合物復(fù)合材料。｛1｝a 非共價鍵功能化石墨烯有實驗合成含有6個羥基的三亞苯衍生物然后通過氧化還原引發(fā)體系合成了星型聚丙烯腈聚合物SPAN 見圖1 最后在星型聚丙烯腈的NN二甲基甲酰胺溶液DMF中用水合肼還原氧化石墨得到均一穩(wěn)定的溶液。從SEM照片中可以清楚看到見圖3 未吸附聚合物的石墨烯是光滑的片層結(jié)構(gòu) 而吸附聚合物之后的石墨烯由于表面覆蓋著聚合物片層變厚但和純石墨烯比較片層已經(jīng)不太明顯出現(xiàn)的團(tuán)狀物或柱狀物為聚合物中三亞苯結(jié)構(gòu)自組裝后形成的 這進(jìn)一步證明了星型聚丙烯腈已成功吸附到石墨烯的表面。｛1｝b 共價鍵功能化石墨烯結(jié)合高效率重氮鹽加成和Kumada催化轉(zhuǎn)移縮聚反應(yīng)KCTP 聚3己基噻吩P3HT 被共價接枝在石墨烯 GN 表面 形成聚合物分子刷P3HTGN 通過重氮鹽偶合反應(yīng)溴苯分子首先被共價連接在氧化還原方法制備的GN表面由此錨固的NiPPh3 4隨后引發(fā)3己基噻吩的催化轉(zhuǎn)移聚合原子力顯微和熱失重分析結(jié)果表明接枝在GN表面的P3HT分子刷厚度約為5nm % 當(dāng)假設(shè)P3HT以伸直鏈構(gòu)象接枝在GN表面時 石墨烯對聚合物性能影響。｛1｝B：聚合物復(fù)合材料的界面及其結(jié)構(gòu) a 界面與界面相結(jié)構(gòu)聚合物基復(fù)合材料一般是由纖維增強(qiáng)體或無機(jī)填料增強(qiáng)體或功能體與聚合物基體所構(gòu)成的兩相或多相復(fù)合材料在復(fù)合材料制備過程中給定的熱學(xué)化學(xué)和力學(xué)條件下形成了結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有別于基體和增強(qiáng)體的界面區(qū) 復(fù)合材料的界面是一個包含著兩相之間過渡區(qū)域的三維界面相在該區(qū)域物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與增強(qiáng)體不同也與基體有區(qū)別因而另成一相或幾相常稱為界面相 從結(jié)構(gòu)來分這一界面相由５個亞層組成如圖１所示 每一亞層的性能均與基體和增強(qiáng)體的性質(zhì)偶聯(lián)劑的品種和性質(zhì)復(fù)合材料的成型方法等密切相關(guān)。｛4｝b 界面與界面相對復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響復(fù)合材料的界面是包含著兩相之間過渡區(qū)域的三維界面相是復(fù)合材料在熱化學(xué)和力學(xué)環(huán)境下形成的微結(jié)構(gòu)界面層的存在通常會導(dǎo)致界面效應(yīng)的產(chǎn)生
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