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1、石墨烯功能化及在材料之应用研究第一章绪论碳元素广泛存在于地球上和宇宙中，是构成自然界中有机体必不可少的元素。近百年来，碳材料的科学研究取得了突破性的进展[1-5]，推动了社会的进步及人们生活水平的提高。石墨烯，作为碳材料家族的一名新成员，自2004年英国曼彻斯特大学科学家Geim和Novoselov等人首次发现以来[6，7]，在世界范围内引起了巨大的轰动，并成为诸多科学领域的研究热点。石墨烯是由sp2碳原子组成的二维片层，其延伸的蜂窝状网络结构可作为构成其他重要石墨碳材料的基本单元：石墨烯可以堆叠形成三维的石墨，卷曲形成一维的碳纳米管，及包裹形成零维的富勒烯。其独特的大
2、范围π-π共轭结构使得石墨烯具有优异的热性能、电性能和机械性能[8-11]；同时，它还具有良好的加工性能和低廉的成本等优势。因而，石墨烯在电子器件、能量存储、传感器及生物医药等领域具有广阔的应用前景[12-15]。1.1石墨烯概述1.1.1石墨烯的结构石墨烯是由单层碳原子以sp2杂化方式相连而成的二维材料，其厚度仅为0.34nm，是目前为止报道的最薄的材料。碳原子以紧密堆积方式形成六角蜂窝状结构，其中，每个碳原子以σ键与周围相邻的三个碳原子连接，剩余的一个自由电子则参与形成大范围的离域π键。通常，石墨烯被认为可以用于构成不同维度的石墨烯结构
3、碳材料，如零维的富勒烯，一维的碳纳米管和三维的石墨，如图1-1所示[16]。1.1.2石墨烯的性质石墨烯独特的化学结构赋予了它诸多优异的性能，其中之一是石墨烯出色的导电性。通常，材料中的缺陷会作为散射点，通过限制电子的自由运动路径而阻碍电子的传输。石墨烯由于具有完美的晶格结构，因此其离域的π电子可以在单层碳原子中自由移动。电子在石墨烯中的传输速度可达到8105m/s[17]，这虽然不比光速，但是却要远远地高于常见的半导体材料中电子的传输速度。此外，石墨烯片层含有大量的载流子，这些载流子是无质量的相对论性粒子，即狄拉克费米子。狄拉克费米子的行为不同于电子，比如在磁场
4、中所表现出的整数量子霍尔效应。这种效应在室温下即可观察到[18-20]。碳材料通常具有良好的热传导性，由于有较强的碳碳键及光子散射存在。早期的研究表明室温下多壁碳纳米管的导热系数可达~3000MA复合材料薄膜的制备及表征.........533.3.3.1GONR-P/PMMA复合材料薄膜机械性能的表征........533.3.3.2GONR-P/PMMA复合材料薄膜断面SEM的表征......563.4本章小结....58结论本论文以液相直接剥离石墨及氧化切割碳纳米管方法得到的石墨烯为前驱体，采用原位自由基聚合的方法对其进行表面共价修饰。利用这些改性后的石墨烯作为纳
5、米填料，制备了不同功能化石墨烯/聚合物复合材料，研究了石墨烯材料对聚合物机械性能及热性能的影响，并对相关增强机理做出了分析解释。具体研究成果及结论总结如下：（1）在有机溶剂N-甲基吡咯烷酮（NMP）中对石墨进行剥离，离心除去未剥离的石墨得到分散性良好的石墨烯溶液。随后，在石墨烯/NMP分散液体系中，采用原位自由基聚合法对石墨烯片层进行共价修饰，得到表面接枝聚甲基丙烯酸甲酯的石墨烯（GPMMA）。离心沉淀测试表明改性后的石墨烯在有机溶剂中的分散性得到大幅度提高；Raman等测试证明了GPMMA具有较少的结构缺陷。此外，GPMMA对聚合物材料的力学强度和热稳定性也有显著提升
6、。当GPMMA的含量为0.5erposites.AdvancedMaterials,2010,22,1672-1688.[2]MoniruzzamanM,acromolecules,2006,39,5194-5205.[3]CadekM,ColemanJN,RyanKP,etal.ReinforcementofPolymersanJN,KhanU,Blau.CovalentFunctionalizationofclgclistryA,2004,108,11151-11159.[6]Velasco-SantosC,Martínez-Hernán
7、dezAL,FisherFT,etal.ImprovementofThermalandMechanicalPropertiesofCarbonNanotubepositesthroughChemicalFunctionalization.ChemistryofMaterials,2003,15,4470-4475.[7]SunL,echanicalpropertiesofsurface-functionalizedSezianiMJ,SunY-P.Functionalizedcarbonnanotubesforpolymerianopos
