石墨烯的制备_何青

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1、１７６２０１３年增刊Ⅱ（４４）卷文章编号：１００１－９７３１（２０１３）增刊（Ⅱ）－０１７６－０５＊石墨烯的制备及其在金属防腐中的应用进展何青１，马爱斌１，２，江静华１，３，宋丹１，２，陈建清１，杨东辉１，邹中秋２，李玉华１（１．河海大学力学与材料学院，江苏南京２１００９８；２．常州市河海科技研究院有限公司，江苏常州２１３１６４；３．南通河海大学海洋与近海工程研究院，江苏南通２２６０００）摘要：石墨烯是单原子层厚度的石墨，由ｓｐ２杂化２石墨烯的基本性质碳原子形成呈蜂窝状并无限扩展的二维晶体材料。自２００４年被发现以来引起了科学家的极大关注，其所具２００４年，英国曼彻斯特大学Ａ．Ｋ．Ｇｅｉ

2、ｍ和Ｋ．Ｓ．［４］有的多种奇特的电子及机械性质使得它在电子、储能、Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ两人首次制备出稳定的石墨烯，推翻了传感器等领域具有潜在的应用。介绍了石墨烯的性热力学上“准二维晶体材料由于本身的热力学不稳定，［５－６］能、制备方法等方面的一些研究进展，特别关注了其近在室温下的热起伏会使其迅速分解”的经典理论，［７］来在金属防腐中的一些应用研究进展。引发了石墨烯研究热潮。图１所示为石墨烯的单层关键词：石墨烯制备方法；防腐；应用结构，厚度只有０．３３５ｎｍ。它可以翘曲成零维的富勒中图分类号：ＴＢ３７；ＴＧ１７４．２文献标识码：Ａ烯，卷曲成一维的碳纳米管或堆垛成三维的石墨，因此ＤＯＩ：１０．

3、３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－９７３１．２０１３．增刊（Ⅱ）．００２它又被认为是构成其它碳材料的基本单元。１引言腐蚀是金属材料失效的主要形式，也是一个全球都普遍存在的问题。据估计，全球每年因腐蚀报废的金属设备占其产量的３０％，除去回收的部分外，还有［１］１０％的钢铁一去不复返。美国Ｇ２ＭＴＬａｂｓ（Ｇｅｎｅｒ－ａｔｉｏｎ２ＭａｔｅｒｉａｌｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬａｂｓ）研究表明，２０１２年美国全境由腐蚀引起的经济损失首次超过１０００亿美［２］元，占其全年ＧＤＰ的６．２％。寻找有效的技术手段来实现金属表面防护成为各国研究者共同关注的目标。其中，金属表面覆膜处理技术得到广泛的应用，这些技

4、术往往是用某些材料（如异种金属、陶瓷、金属氧化物、非金属聚合物等）包裹在金属表面，以避免其表面与空气、水或其它腐蚀环境直接接触，从而达到防止图１构成富勒烯、碳纳米管、石墨的基本单元———石［７］腐蚀的目的。这些包裹材料大都因其自身不足而难以墨烯满足日益复杂的工作环境。一方面，普通的表面涂层Ｆｉｇ１Ｍｏｔｈｅｒｏｆａｌｌｇｒａｐｈｉｔｅｆｏｒｍｓ———ｇｒａｐｈｅｎｅ，往往存在一定的厚度和尺寸差异不适合精确配合场所ｗｈｉｃｈｃａｎｂｅｗｒａｐｐｅｄｕｐｉｎｔｏ０Ｄｂｕｃｋｙｂａｌｌｓ，［７］的使用；另一方面，一些聚合物不耐高温，同时还会显ｒｕｌｌｅｄｉｎｔｏ１Ｄｎａｎｏｔｕｂｅｓｏｒ３Ｄｇ

5、ｒａｐｈｉｔｅ著改变基材的物理性能。近年来，由于成功实现了利石墨烯从一开始就以其新奇而优异的性能受到了用化学气相沉积（ＣＶＤ）技术在金属表面制备大面积的广泛的关注，诸多优异的特性主要源于其独特的结构，石墨烯，使得科学家们开始探索石墨烯作为金属保护同时其电子结构会随着其层数的增加而产生显著的变［８］涂层的可能。最近，美国物理学家组织网报道了神奇化，当层数达到１０层时就表现出三维石墨的特征。石墨烯由每个碳原子经ｓｐ２杂化形成的正六边形结的石墨烯（ｇｒａｐｈｅｎｅ）用于金属防腐的特殊功能，使其［３］构，每个碳原子与其它３个相邻的碳原子形成共价键，成为目前世界上最纤薄的防腐涂层。剩余１个ｐ轨道电

6、子形成π健，π电子可以自由移动，是一种典型的二维材料。其厚度方向的尺度远小于原＊基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１１４１００２）；江苏省自然科学基金资助项目（ＢＫ２０１１２４９）；南通市应用研究计划资助项目（ＢＫ２０１２０４２）收到初稿日期：２０１３－０３－２９收到修改稿日期：２０１３－０５－２８通讯作者：马爱斌作者简介：何青（１９８９－），男，湖北通城人，在读硕士，主要从事石墨烯制备及在金属表面防护研究。何青等：石墨烯的制备及其在金属防腐中的应用进展１７７子平面方向，是目前已知最薄的一种材料（理论比表面３．１ＳｉＣ外延生长法２［９－１０］为２６３０ｍ／ｇ）。它还是一种超轻材料，计

7、算可得晶体外延生长法是在一个单晶薄膜基体上通过晶石墨烯的面密度为０．７７ｍｇ／ｍ２。在光学方面，Ｒ．Ｒ．格匹配生长出另一种晶体的方法，外延法生长石墨烯［１１］Ｎａｉｒ等研究发现单层石墨烯吸收２．３％的可见光，就是在ＳｉＣ或金属碳化物单晶上制备高结晶的石墨烯即可见光的透过率达９７．７％，几乎透明。石墨烯因其的过程。这种方法能获得单层和双层石墨烯，因其与极高的弹性常数和平均自由程，具有很高的导热性能，Ｓｉ基半导体有很好的兼容性，此方法是