石墨烯∕聚合物导电复合材料研究进展.pdf

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1、石研究进展孟庆实啦，卢少微1，史歌2，潘霄3，MAJun2(1．沈阳航空航天大学航空航天工程学部，沈阳110136；2．SchoolofEngineering，UniversityofSouthAustralia，Adelaide5000；3．国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，沈阳110015)[摘要】石墨烯是新一代的纳米级碳材料，具有优异的机械、导电性能以及其他的功能性能，是制备聚合物导电复合材料的理想填充物。对石墨烯的常用制备方法进行比较并分析其优点与不足，介绍了石墨烯及其复合材料的导电及机械性能，并对石墨烯及其聚合物导电复合材料的应用研究进展进行

2、了系统的综述。最后，对该领域所存在的问题进行了总结，并展望了其发展趋势。关键词：石墨烯；复合材料；制备方法；表面改性DOI：IO．16080／j．issnl671—833x．2016．15．016孟庆实沈阳航空航天大学航空航天工程学部教授。澳大利亚南澳大学兼职博士生导师。多年来一直从事超级功能型粘合剂的开发以及石墨烯聚合物纳米复合材料研究，特别是在纳米高分子复合材料改性领域的研究目前已处于世界领先地位。发表学术论文及国际专利共30余篇／项。被SCl{IJ物引用580多次，H指数为10。16航空制造技术·2016年第15期聚合物导电复合材料是由高分子聚合材料

3、与不同的导电材料通过复合方式而制得，具有非常广阔的市场前景和巨大的经济效益，全球市场容量每年在万亿元人民币以上，并以5％～10％的增长率逐年递增。聚合物导电纳米复合材料在航空航天、电子、电力以及新能源等领域具有广泛的应用潜力。然而，在上述领域巨大应用的聚合物材料大部分是绝缘材料，容易造成静电累积而引发灾难性的后果。因此，全球的工业界和学术界投入了大量的人力和财力来开发高分子聚合物导电复合材料。其中一种最为经济有效的方法是在聚合物基体内添加导电材料来提高聚合物基体的导电性。这种方法不但能有效地提高材料基体本身的导电性，也可以有效地改善其机械性能以及其他功能型

4、性能。目前，制备技术成熟并得到广泛应用的导体填充物主要有金属(如不锈钢纤维)、贵重金属(如金银颗粒或金银丝)等材料。然而，金属材料本身密度比较高，作为导电材料添加到聚合物基体后，会给复合材料增添超过预期的重量。此外，金属填充物与高分子有机基体的兼容度很差，很难形成性能稳定的界面结构，而良好的界面结构对电子的转移和应力的传递都起着至关重要的作用。因此，科学家们考虑选取由碳元素组成的有机类材料作为导电复合材料的填充物，可以有效地改善填充物与聚合物基体间的兼容性。特别是密度仅为2．29／em3的石墨烯材料的出现，为制备理想的聚合物导电材料提供了良好的基础。自从2

5、004年英国曼彻斯特大学物理和天文系的两位科学家首次制得独立存在的、仅一个原子厚度的石墨烯以来，吸引了全球各领域的科技工作者对石墨烯材料的研究，石墨烯已经成为材料、物理、化学等领域一颗冉冉升起的新星fI】。石墨烯独特的二维晶体结构赋予其卓越的性能。经过研究发现，理论上石墨烯是迄今为止发现的最坚硬的材料，杨氏模量可达约ITPa，其理论比表面积高达2600m2／g；同时由于特殊的能带结构，石墨烯具有突出的电学性质(7200S／m)，以及室温下较高的电子迁移率(200000cm2／(V·s))。此外，石墨烯还具有半整数的量子霍尔效应、永不消失的电导率等一系列性质

6、，因此引起了复合材料领域科学家的极大兴趣口J。目前，较高结构规整度石墨烯的制备方法主要包括：微机械剥离石墨法[3】和气相沉积法

7、4l。然而，高质量石墨烯材料制备成本非常昂贵。由于石墨烯比表面积大以及静电作用力和范德华力的存在，使其通常以团聚体形状存在，不能溶于水并且很难分散于有机溶剂中。同时，高质量、少缺陷的石墨烯也不利于进一步表面改性，与聚合物基体结合很难形成稳定的界面结构，因此不适于制备性能稳定的功能型复合材料。由于上述原因，通过化学氧化剥离石墨片层是目前制备石墨烯及其衍生物(如GrapheneOxide)最为普遍使用的方法，且具有低成本、易量产等特点

8、{5】。然而，通过化学方法制得的石墨烯或氧化石墨烯，氧化的程度要求很高，否则很难实现石墨层充分剥离。此外，还需要进一步通过化学或者热还原处理来得到相对理想的石墨烯材料。虽然氧化法结合化学或热还原制备的石墨烯材料可溶于水或分散到溶剂中，但到目前为止，很难制备出碳氧比高于6：l【6I的石墨烯材料，这会使其表面晶体结构减少以及规整度下降，造成其导电性和机械性能的部分丧失，阻碍其成为理想的导电和增强填充物制备聚合物导电复合材料。因此，开发新一代的制备可溶及高规整度的石墨烯方法是当前科学家与工业界努力的方向。石墨烯研究概况1石墨烯研究背景石墨烯的早期研究开始于20世

9、纪中叶，但真正成功地从石墨中剥离出独立单层晶体则出现于2004年。