氧化石墨烯及其聚合物的分析進(jìn)展畢業(yè)論文(編輯修改稿)
2025-07-16 16:31 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的3～5倍。 導(dǎo)熱/耐熱性能石墨烯還可用于提高環(huán)氧樹(shù)脂［13 －15］、聚乙烯、聚酰胺等聚合物的導(dǎo)熱性能。碳材料能夠提高聚合物熱導(dǎo)率，但并沒(méi)有像提高導(dǎo)電性那樣明顯，甚至低于有效介質(zhì)理論［15］。這可能是因?yàn)樘疾牧吓c聚合物熱導(dǎo)率的差異不像電導(dǎo)率那么大。而且熱能傳遞主要是以晶格振動(dòng)的形式，填料與聚合物之間以及填料與填料之間較弱的振動(dòng)模式也會(huì)增加熱阻。配合表面化學(xué)或者界面共價(jià)鍵偶合可以降低界面聲子散射，但是過(guò)多的表面修飾也會(huì)降低碳材料的固有導(dǎo)熱性能［16］。石墨烯在聚合物基體中可限制聚合物鏈的流動(dòng)性，在燃燒過(guò)程中，阻燃性的各向異性石墨烯形成碳層網(wǎng)絡(luò)，阻礙降解產(chǎn)物的逸出［118］，因此石墨烯/聚合物復(fù)合材料可用作阻燃材料。石墨烯還可以提高PS、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、硅泡沫材料、聚氨酯等聚合物的耐熱性。 物理機(jī)械性能石墨烯具有優(yōu)異的物理機(jī)械性能，比起現(xiàn)有的炭質(zhì)填料，如炭黑、碳纖維、碳納米管，石墨烯用于增強(qiáng)聚合物材料更具有優(yōu)勢(shì)。Rafiee 等研究了石墨烯/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的縱向彎曲性能。結(jié)果表明，%時(shí)，復(fù)合材料的臨界縱向彎曲載荷提高52%，說(shuō)明聚合物基體與石墨烯的載荷傳遞效力大大提升。這種納米復(fù)合材料可用作航空和空間領(lǐng)域的輕質(zhì)、耐屈曲的結(jié)構(gòu)元件。Bao 等制備了改性石墨烯/PV Ac 復(fù)合薄膜，研究發(fā)現(xiàn)，1－芘丁酸琥珀酯改性石墨烯和4—［2－(吡啶－4－基)乙烯基］苯基改性石墨烯對(duì)PV Ac 復(fù)合薄膜的物理機(jī)械性能具有較大幅度的改善。 氣體阻隔性能無(wú)缺陷的石墨烯對(duì)所有氣體分子都具有不可滲透性質(zhì)，當(dāng)石墨烯均勻分散在有滲透性的聚合物基體中，可以增加擴(kuò)散路徑長(zhǎng)度，降低聚合物的透氣性［19］。Kim等研究了功能化石墨烯對(duì)聚(乙烯－2，6－萘二甲酸)(PEN)阻隔性能的影響,結(jié)果表明，當(dāng)功能化石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí),PEN的氫滲透系數(shù)下降60%,而相等填充量的石墨使氫滲透系數(shù)僅下降25%。Kim等研究發(fā)現(xiàn),質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的異氰酸酯改性石墨烯使聚氨基甲酸酯的氮滲透率降低了90%。Kalaitzidou等研究表明,當(dāng)直徑為1μm的石墨烯填充體積分?jǐn)?shù)為3% 時(shí),可以使聚丙烯對(duì)氧氣的滲透率下降10%,效果與碳纖維相當(dāng)；當(dāng)直徑為15μm的石墨烯可使聚丙烯的氣體阻隔性下降20%，優(yōu)于黏土。石墨烯的縱橫比、分散性、石墨片的取向、界面結(jié)合作用以及聚合物基體的結(jié)晶狀況對(duì)復(fù)合材料氣體阻隔性能有較大的影響。4 應(yīng)用前景儲(chǔ)氫材料具有在特定條件下吸附和釋放氫氣的能力。但目前各種材料的成本都較高, 極大地限制了儲(chǔ)氫材料發(fā)展。Georgios 等[ 20]利用多尺度理論方法研究了一種新型3D碳納米結(jié)構(gòu)(柱狀石墨烯)的儲(chǔ)氫能力, 這種柱狀多孔納米結(jié)構(gòu)的孔徑及表面積是可調(diào)的, 高表面積與適當(dāng)大小的孔徑尺寸是其儲(chǔ)氫能力的關(guān)鍵參數(shù)。進(jìn)一步研究表明, 摻雜鋰離子之后,室溫條件下, 柱狀石墨烯的儲(chǔ)氫能力高達(dá)41g/L。因此, 石墨烯這種新材料的出現(xiàn), 為人們對(duì)儲(chǔ)氫材料的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路和材料。 石墨烯納米復(fù)合材料分子水平上制備的石墨烯納米聚合物能夠顯著改善石墨烯的電導(dǎo)率及熱導(dǎo)率。Ryan等[21] 通過(guò)在石墨烯的懸浮液中直接還原AuCl4 離子, 制備了石墨烯/金納米復(fù)合材料, 還原后的Au 納米粒子錨固在經(jīng)油胺修飾的石墨烯片上,SEM 表征說(shuō)明Au 納米粒子在石墨烯片上的分散極好, 有望在催化劑、磁性材料、光電材料等方面得到應(yīng)用[22]。Li等[ 23] 發(fā)展了一種新穎的、可以直接、實(shí)時(shí)觀測(cè)石墨烯在聚合物中相變的方法。他指出在未來(lái)石墨烯的聚合物復(fù)合材料的應(yīng)用中, 可通過(guò)在石墨烯中引入一定程度的缺陷幫助其維持在聚合物基質(zhì)中, 否則當(dāng)溫度高于聚合物的玻璃化溫度時(shí), 復(fù)合材料會(huì)因石墨烯的卷曲和褶皺而失去其理想的光學(xué)、機(jī)械和高導(dǎo)電特性。該項(xiàng)研究工作對(duì)于探索二維原子晶體的熱動(dòng)力學(xué)特性具有重要的指導(dǎo)意義。 納米電子器件石墨烯具有很好的導(dǎo)電性, 其廉價(jià)大規(guī)模生產(chǎn)可能會(huì)極大地促進(jìn)石墨烯在高傳導(dǎo)率集成電路方面的研究。石墨烯很有可能成為組建納米電子器件的最佳材料, 可能是下一代電子器件的替代品,用它制成的器件可以更小,耗能更低，電子傳輸速度更快。然而, Kyle等[24] 的研究表明, 石墨烯邊緣的晶體取向會(huì)對(duì)其電性能產(chǎn)生相當(dāng)重要的影響。結(jié)果顯示,鋸齒型邊緣(zigzag edge) 表現(xiàn)出了強(qiáng)邊緣態(tài), 而椅型邊緣(armchair edge)卻沒(méi)有出現(xiàn)類似情況。尺寸小于10nm、邊緣主要是鋸齒型的石墨烯片表現(xiàn)出了金屬性, 而不是先前預(yù)期的半導(dǎo)體特性。石墨烯與碳納米管不同, 它是平面結(jié)構(gòu), 因此更適合傳統(tǒng)芯片的制造工藝。但這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明, 若要將石墨烯用于納米電子器件, 必須注重其邊緣的工程控制,以獲得統(tǒng)一的材料性能。在5nm大小的石墨烯片上, 只要有一小段邊緣是鋸齒型的,就會(huì)將材料由半導(dǎo)體變?yōu)閷?dǎo)體。 可做“太空電梯”纜線一旦科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一些只有100分之一頭發(fā)絲寬度的石墨烯薄片后，他們就開(kāi)始使用原子尺寸的金屬和鉆石探針對(duì)它們進(jìn)行穿刺，從而測(cè)試它們的強(qiáng)度。讓科學(xué)家震驚的是，石墨烯比鉆石還強(qiáng)硬，它的強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還高100倍！美國(guó)機(jī)械工程師杰弗雷基薩教授用一種形象的方法解釋了石墨烯的強(qiáng)度：如果將一張和食品保鮮膜一樣薄的石墨烯薄片覆蓋在一只杯子上，然后試圖用一支鉛筆戳穿它，那么需要一頭大象站在鉛筆上，才能戳穿只有保鮮膜厚度的石墨烯薄層。5 結(jié)束語(yǔ)綜上所述, 目前的制備技術(shù)存在氧化石墨烯及其聚合物尺寸小且分布不均、難以批量生產(chǎn)以及性能難以精確控制等瓶頸問(wèn)題；另外, 現(xiàn)有的表征手段耗時(shí)、容易破壞石墨烯的晶格結(jié)構(gòu), 也制約著石墨烯的進(jìn)一步研究。因此, 通過(guò)不同途徑設(shè)計(jì)和批量制備大尺寸、層數(shù)和性能可控的氧化石墨烯及其聚合物是下一步制備技術(shù)研究的重點(diǎn)； 迅速發(fā)展養(yǎng)化石墨烯及其聚合物的精確表技術(shù), 是石墨烯制備、性能和應(yīng)用研究的迫切要求。參考文獻(xiàn)： [1] Geim A K, Novoselov K S. The rise of grapheme. Nature Materials, 2007, 6(3): 183－ 191.[2] Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al. Electric field effect in atomically thin carbon films[J]. Science, 2004, 306(20) : 666－ 669.[3] Service R F. Carbon sheets an atom thick give rise to grapheme dreams. Science, 2009, 324( 26) : 875－ 877.[4] Kim K S, Zhao Y, Jang H, et al. Largescale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes . Nature, 2009, 457(15) : 706－710.[5] Brumfi
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