基于石墨烯的导电复合材料讲述

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1、基于石墨烯的导电复合材料进展课程：聚合物结构与性能学生：张恩重学号：201110102626自2004年英国曼彻斯特大学Geim教授首次制备出单层石墨烯[1]（graphene）以来，其独特的性质就引起了科学家们的广泛关注。石墨烯是单层碳原子紧密堆积而形成的炭质新材料，单层石墨烯是以二维晶体结构存在，厚度只有0.335nm，是目前世界上最薄的二维材料，它是构筑其它维度碳质材料的基本单元，可以包裹起来，形成零维的富勒烯，卷起来形成一维的碳纳米管，层层堆积形成三维石墨，如图1。石墨烯是一种没有能隙的半导体材料，具有比单晶硅高100倍左右

2、的载流子迁移率（2×105cm（V·s））[2]在室温下具有微米级自由程和大的相干长度，因此它是纳米电路的理想材料。另外，石墨烯还具有良好的导热性（导热率为5000W（m·K）[3]、高强度高达130GPa[4]、高透明度（对自然光的吸收率只有2.3%左右）和超大的比表面积（2630m2/g）[5]。由于石墨烯具有上述优异的性能，使其有望在微电子、能源、信息材料和生物医药等领域具有重大的应用前景。图12D结构的石墨烯片层演变成C60、碳纳米管和石墨的示意图目前制约石墨烯和其复合材料发展的两个主要因素是：一、具有单层结构石墨烯的大规模

3、制备；二、石墨烯的可控功能化。本文将从聚合物复合导电材料、聚合物复合材料导电机理，石墨烯的制备和石墨烯聚合物复合导电材料的性能研究进展等方面介绍基于石墨烯的导电复合材料，并了解其未来研究领域。导电高分子材料近二十年，尤其导电高分子获得诺贝尔奖以来，导电高分子材料作为高分子材料发展的一个新领域，其研究与开发已成为功能高分子材料研究的一个重要方面。按导电机理的不同，导电高分子材料可以分为复合型和结构型两种：复合型导电高分子材料是利用向高分子材料中加入各种导电填料来实现其导电能力；结构型导电高分子材料是改变高分子结构使高分子自身具有导电性

4、来实现其导电能力[6]。本文主要介绍以石墨烯为填料的复合型导电高分子材料。复合型导电高分子材料复合型导电高分子材料是指将各种导电填料和高分子材料通过不同的复合方法制备的具有导电功能的多相复合材料。这类材料既具有导电功能，同时又保持高分子材料的特点，并且成本较低，因而得到了广泛的应用。根据导电填料的不同它又可分为碳基材料填充型及金属材料填充型。1、碳基材料填充型碳基材料主要包括石墨烯、足球烯、碳纳米管、石墨。碳基材料填填充型导电材料是目前复合型导电材料中应用最广泛的一种，应用最多的碳基材料是石墨烯、碳纳米管和石墨，它的优点有以下几个方

5、面：一、碳基材料填价格低廉，实用性强；二、碳基材料填能根据不同的导电要求有较大的选择余地；三是导电持久稳定[7]。2、金属材料填充型金属材料填充型复合导电材料的导电性能优良，比传统金属材料轻且易成型加工，是具有潜在优势的新型导电材料和屏蔽材料。近年来，金属纤维填充材料发展迅速。复合型导电高分子材料的导电机理复合型导电高分子材料导电性主要取决于填料的分散状态[8]。根据逾渗理论，原来孤立分散的填料微粒在体积分散达到某一临界含量以后就会形成连续的导电通路，这时粒子处于两种状态：一是粒子间发生物理接触，电荷载流子可在连续的导体内流动；二是

6、粒子间有粘结剂薄层存在，载流子本身被激活后可以通过粘接剂而运动。填料成分、填料粒子的分散状态及其与高聚物基体的相互作用决定复合材料的导电性。只有填料粒子能较好地分散形成相互连接的三维网状结构，复合材料才能具有良好的导电性[9]。石墨烯的制备方法1、微机械分离法微机械分离法是采用机械分离的手段获得石墨烯的方法，即直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剥离下来。2004年，曼彻斯特大学Geim等[1]，采用机械法从高定向热解石墨（HOPG）上剥离出单层石墨烯，他们在HOPG表面用氧等离子刻蚀微槽，并用光刻胶将其转移到玻璃衬底上，用透镜胶带反复撕

7、揭，尔后将玻璃衬底放入丙酮溶液中超声清洗，并在溶液中放入单晶硅片，单层石墨烯会在范德华力作用下吸附到硅片表面。后来机械法简化为直接用胶带从上揭下一层石墨，然后在胶带之间反复粘贴，石墨片层会越来越薄，再将胶带贴在衬底上，单层石墨烯就转移到衬底上了。同时还有许多其他机械方法出现，如机械压力法、滚动摩擦法等，机械法制备单层石墨烯的最大优点在于工艺简单、制作成本低，而且样品的质量高，但是产量低，不可控，且从大片的厚层中寻找单层石墨烯比较困难，同时样品所在区域会存在少许胶渍，表面清洁度不高。2、化学气相沉积法[12]化学气相沉积法首次在规模化

8、制备石墨烯的问题方面有了新的突破，为可控制备石墨烯提供了一种的有效方法，用该法制备石墨烯不需要颗粒状催化剂，它是将平面金属薄膜、金属单晶等基底置于高温可分解的甲烷乙烯等前驱体气氛中，通过高温退火，使碳原子沉积在基底表面形成石墨烯，再用