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石墨烯/聚合物纳米复合材料
摘要：石墨烯由于其特殊的电导性、机械性能和大的表面积而具有巨大的科研价值，当加入适当时，这些原子薄碳层可以显著提高主要高聚物的物理性能。我们首先按照从上到下的战略回顾一下从氧化石墨到石墨烯的生产工艺过程，包括每种方法的优点和缺点。然后按溶解和熔融的战略即分散化学和加热的方法讨论降低氧化石墨在聚合物中的含量。对于微粒大小的性质、表面性质和在基体中的离散性的技术分析也有介绍。我们总结石墨烯/聚合物纳米复合材料的导电性、导热性、机械性能和阻气性。我们结合石墨烯复合材料的加工和可量测性总结这些观点列出最近的挑战和这些新的纳米复合材料的远景。
1介绍
基于炭黑、碳纳米管和层状硅酸盐的聚合物纳米复合材料被用于增强聚合物的机械性能、导电性、导热性和阻气性。石墨烯极其特殊的物理性能和能溶于多种基本聚合物的结合的发现创造了一类新的聚合物纳米复合材料。
石墨烯是由sp2杂化的碳原子按蜂窝状结构排列成的单层、二维片状结构。它被誉为其他所有不同维数的石墨碳的同素体的基础材料，例如，石墨（三维碳的同素体）由石墨烯的薄碳片正面向上堆积在一起并且分开距离为3.37A组成。0维同素体，富勒烯（足球烯），可以想象成单层石墨烯的一部分卷曲成的。一维碳同素体，碳纳米管和碳纳米带可以分别由单层石墨烯旋转和剪切制成。实际上，然而，这些碳的同素体，除了碳纳米带，都不是由石墨烯合成的。石墨是一种天然生成的材料，它最早的记载于1555年在英国的Borrowdale，但是它最早的应用可向前追溯4000年。在1985年发现富勒烯后于1991年第一次合成单壁碳纳米管。尽管生产石墨烯纳米片的第一个方法报道可以追溯到1970年，但对存在的单层石墨烯在2004年第一次被生产出来，用微机械剥离的方法从石墨中分离出石墨烯。
杨氏模量为1TPa和极限强度为130GPa，单层石墨烯为测量出来的最强的材料。它的导热系数为5000W/cm3*KJ,与报道的碳纳米束最高值的上限相一致。而且，单层石墨烯有很高的电导率，高达6000/cm，并且不像碳纳米管，手性特性不是影响电导率的因素。这些特性加之极高的表面积（理论极限：2630m2/g）和不透过气体性，表明石墨烯对提高聚合物的机械性质、导电性、导热性和阻气性的巨大潜力。由于石墨烯薄层的性质引起巨大兴趣并且发现了它们的生产方法，世界各地的科学家都有在研究石墨烯，研究石墨烯的研究机构的数目清楚地证明了这些兴趣。一个简单的研究用石墨烯作为关键字从三个最常用的数据库搜索，例如IsI-wabvfScience,ScienceDirectandSciFinder,如图2所示，表明出版论文从2005到2009近3000篇的速度增长。用“石墨烯复合物“作为关键字的文献的数目的简单趋势也可见于图2.
在这篇文章里，我们专注于石墨烯/石墨烯复合物高聚物来评论这项文化。我们首先评论准备石墨烯薄层的不同方法，以这些方法适合高聚物复合应用为重点。然后讨论表征石墨烯的方法包括层数、薄层厚度和化学改性。石墨烯进入聚合物的分散途径和生成的聚合物/石墨烯复合物的性质也被评论。我们总结了这令人兴奋的新的纳米复合材料的未来发展的挑战
2．Bottom-Up石墨烯
石墨烯通过多种方法合成，例如化学气相沉淀法、CVD和epitaxialgrowth经常用于生产少量厚的、无缺陷的石墨烯薄层。它们在生产用于基础研究和导电应用的石墨烯薄片比机械剥离法更有吸引力。但不是要求适于表面结构修改的大量石墨烯薄片的适合来源。通过不同的bottom-up方法生产的石墨烯的自然性质、平均大小和厚度，并且每种方法的优点和缺点总结在表里。
3.Top—Down石墨烯
在上—下过程，石墨烯或者改性的石墨烯薄片是通过分离或剥离石墨或石墨的衍生物（例如氧化石墨和石墨的氟化物）生产的。总之，这些方法适用于要求聚合物复合应用的大规模产品。从石墨或其衍生物开始比Bottom—up方法提供了明显的导电优点。石墨是一种常见的材料，每年全球产量多于1.1百万吨且在2008年825美元每吨。因此，Top—down方法将讨论更多的细节。图3所示的一组图表总结了石墨或氧化石墨生产石墨烯或改性后的石墨烯的不同路径汇报告。石墨中添加碱金属或酸能够扩大加热处理来生产由2层碳原子组成的薄层被称作扩展石墨，它常用作聚合物复合材料的填料。
然而，扩展石墨依然维持石墨的层结构。最近，通过氟化石墨夹层化合物的热扩散或微波放射酸分层的被用研磨或超声球状物得的粉状石墨得到一种更薄的形状（1~10nm）的扩展石墨被称作GNP。因为石墨片的大的直径和刚度在加工中得到保存，即使不能完全剥离，在相当小的负荷比时石墨或EG可以提高
在相当小的负荷时，比石墨或EG可以提高聚合物的导电性和力学性能。GNP增强聚合物的性质在第六部分的比较会提到，