石墨烯在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用

高瑞方

摘?要：隨著近幾年石墨烯的研究進(jìn)展，在復(fù)合材料領(lǐng)域石墨烯扮演的角色越來(lái)越重要。目前我國(guó)的企業(yè)和高校的合成材料平臺(tái)正在依托于我國(guó)豐富的天然石墨烯資源而進(jìn)行廣泛的探索，而且提出了石墨烯在復(fù)合材料領(lǐng)域的研究方向。由于石墨烯擁有光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)等特性，因而在材料、能源、生物醫(yī)學(xué)等方面有著非常好的應(yīng)用前景，本文針對(duì)石墨烯在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：石墨烯;負(fù)荷材料;應(yīng)用

一、石墨烯的制備技術(shù)

目前我們國(guó)家在研究石墨烯生產(chǎn)方法時(shí)主要有兩個(gè)方向，分別是物理法制備和化學(xué)法制備。利用微機(jī)械剝離法能夠得到高質(zhì)量的石墨烯，但是由于此種方法處理出來(lái)的石墨烯通常尺寸較小，應(yīng)用范圍不廣闊因此并不適合大規(guī)模生產(chǎn)，目前比較適用的還是化學(xué)方法，化學(xué)方法總共分為兩種，一種是化學(xué)氣象沉積法，這種方法通常是用Ni，Ru等一些過(guò)度金屬來(lái)做基底，在利用甲烷和乙烯等一些小分子來(lái)高溫氣態(tài)的條件下發(fā)生一些化學(xué)反映，在基底層可以生長(zhǎng)出石墨烯，這種方法目前主要用來(lái)制備墨烯薄膜，但是由于使用過(guò)渡金屬作為基底，成本相對(duì)比較高。另外一種則是使用化學(xué)還原的方法，通常采用濃硫酸和發(fā)煙硝酸等強(qiáng)酸將天然石墨來(lái)進(jìn)行氧化處理，得到氧化物之后在進(jìn)行還原，這樣能夠得到石墨烯。這種方法制備的石墨烯微片會(huì)有一定的含氧官能團(tuán)，可以與樹(shù)脂等高分子基體進(jìn)行結(jié)合，而且結(jié)合能力很強(qiáng)，通常適合制備高分子復(fù)合材料。

二、石墨烯在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用

（一）聚合物基復(fù)合材料

目前很多專(zhuān)家學(xué)者利用了石墨烯的獨(dú)特性質(zhì)來(lái)將石墨烯作為納米填料分散在聚合物或無(wú)機(jī)基質(zhì)中，而且取得了不錯(cuò)的效果。目前很多研究集中在聚合物基體上，在抗拉強(qiáng)度、電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)上都有了很大程度的提高。但是由于石墨烯是一種很新的材料，因此目前在該領(lǐng)域的研究仍然處于起步的階段，還存在著一些問(wèn)題等待解決。石墨烯和傳統(tǒng)的填料相比有很大的優(yōu)勢(shì)，比如其機(jī)械性和傳輸性能會(huì)大大增加，雖然傳統(tǒng)的碳納米管也具有這樣的特性，但是石墨烯在二維形狀、單原子厚度和邊緣原子上的應(yīng)用有非常巨大的優(yōu)勢(shì)。目前石墨烯被用在一些仿生復(fù)合材料上，這是一個(gè)新興的領(lǐng)域，使用碳纖維和石墨烯來(lái)增強(qiáng)一些功能，通過(guò)一些試驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)石墨烯的片層化多功能表面，這是下一代柔性電子產(chǎn)品的理想材料。

（二）陶瓷基復(fù)合材料

陶瓷材料在我國(guó)應(yīng)用比較廣泛，而且有著悠久的歷史，從工程的角度來(lái)講陶瓷材料有著很多非常好的性質(zhì)。比如陶瓷的耐火性，陶瓷可以在溫度大于600℃的條件下仍然能夠保持材料的強(qiáng)度和硬度，但是在陶瓷材料應(yīng)用的過(guò)程中其低韌性是比較大的缺點(diǎn)。想要增加陶瓷的韌性就要加入第二種材料，在石墨烯技術(shù)未得到應(yīng)用時(shí)用的是含纖維復(fù)合材料或碳納米管-陶瓷復(fù)合材料，這種材料具有導(dǎo)電性，但是由于陶瓷的硬度強(qiáng)韌性低的特點(diǎn)使得這種材料的加工成本相當(dāng)高。通過(guò)一系列的科學(xué)認(rèn)證，可以將石墨烯應(yīng)用在陶瓷材料上，做成石墨烯/陶瓷復(fù)合材料，這種材料有著比較明顯的韌性和導(dǎo)電性。與碳納米管相比，石墨烯陶瓷復(fù)合材料成本和商業(yè)利用率相對(duì)比較低，工藝條件并不嚴(yán)格，這算是一個(gè)比較大的優(yōu)勢(shì)。

（三）化學(xué)改性石墨烯的復(fù)合材料

利用化學(xué)合成可以創(chuàng)造出一種新型的二維形狀的材料，在用石墨烯片作為模版，利用固定在石墨烯襯底上的有機(jī)或無(wú)機(jī)粒子來(lái)制造更復(fù)雜和功能更強(qiáng)的二維材料，這樣不僅僅能夠避免了納米材料的聚集，還能夠提高電導(dǎo)率。目前很多科學(xué)家已經(jīng)找到了一些方法通過(guò)化學(xué)改性來(lái)提高這種復(fù)合材料的性能。為了整合其獨(dú)特的性質(zhì)，科學(xué)家已經(jīng)對(duì)石墨烯和無(wú)機(jī)納米材料的二維納米復(fù)合材料開(kāi)展了研究。其中一種方法是用石墨烯和已經(jīng)制備好的無(wú)機(jī)納米粒子進(jìn)行組裝，另外一種則是無(wú)機(jī)納米粒子在石墨烯表面的原位生長(zhǎng)，目前這兩種方法是比較常用的方法，很多科學(xué)研究也基于這兩種方法來(lái)進(jìn)行技術(shù)上的探索。

（四）光子聚合物復(fù)合材料

隨著我國(guó)科技的發(fā)展，光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的需求可謂是越來(lái)越大，光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需要滿(mǎn)足性能標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)濟(jì)要求的光子元件，需要利用新的技術(shù)提高產(chǎn)量同時(shí)降低成本，而且還要有很高的性能。光通信系統(tǒng)需要光源和探測(cè)器，但是傳統(tǒng)的一些光學(xué)元件操作非常不方便，而且對(duì)于失調(diào)非常敏感，很容易發(fā)生一些不穩(wěn)定的狀態(tài)，而這些問(wèn)題的存在確實(shí)制約了光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，如何解決這些問(wèn)題科學(xué)家們非常煩惱，而所有的這些問(wèn)題都能夠在集成光學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行避免。目前科學(xué)家們聚焦的技術(shù)難題是要開(kāi)發(fā)一種嵌入石墨烯的光學(xué)和電子功能的新型聚合物光電器件，這些器件如果實(shí)現(xiàn)將會(huì)帶來(lái)很大的改革。這些器件不僅僅在光學(xué)通信領(lǐng)域會(huì)得到很廣闊的應(yīng)用，而且會(huì)在生物醫(yī)療儀器，化學(xué)分析儀器，顯微鏡和外科手術(shù)等等領(lǐng)域得到很大范圍的應(yīng)用，這樣的應(yīng)用會(huì)給很多技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)質(zhì)的改變，會(huì)有很好的應(yīng)用前景。正因?yàn)槿绱耍壳昂芏嗫茖W(xué)家也在石墨烯的新型光子聚合物上扎根研究，希望得到比較好的應(yīng)用結(jié)果，這也是很多科學(xué)家的主要研究方向。當(dāng)然光聚合物復(fù)合材料還有很多技術(shù)難題等待被解決，也有很多人目前對(duì)這種技術(shù)是否可行存在著一些質(zhì)疑，但是每一次技術(shù)的變革都會(huì)引起人們的廣泛猜測(cè)，但是猜測(cè)和質(zhì)疑并不能影響科學(xué)家們的腳步，在科研的道路上往往質(zhì)疑會(huì)成為前進(jìn)的動(dòng)力。

三、結(jié)語(yǔ)

目前雖然有很多專(zhuān)家和學(xué)者已經(jīng)對(duì)石墨烯復(fù)合材料進(jìn)行了大量的科學(xué)試驗(yàn)研究，但是石墨烯復(fù)合材料的應(yīng)用還需要一定的時(shí)間。當(dāng)然目前有一些復(fù)合材料已經(jīng)有一定的技術(shù)成熟度，并且已經(jīng)開(kāi)始用于商業(yè)水平和大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用，相信未來(lái)會(huì)有越來(lái)越多的復(fù)合材料投入到市場(chǎng)之中，為我國(guó)的科技發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉琳，鄧思楊.石墨烯在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2019（11）：25-27.

[2]傅金祥，孟海停，何祥，谷文藝，李曉溪，何鵬飛.石墨烯及其復(fù)合材料在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].環(huán)境污染與防治，2018，40（05）：609-615.

[3]張彩麗.石墨烯在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].合成樹(shù)脂及塑料，2016，33（05）：95-98.