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石墨烯材料在各个领域应用的进展

1复合材料

石墨烯由于具有极高的力学性能和电学性能，在作为聚合物基体

的加强功能化添加剂方面被认为据有广泛的讨论前景。

2023年美国西北大学的Stankovich和RuofjF等人在Nature上报

道了薄层石墨烯．聚苯乙烯纳米复合材料。该讨论小组首先使用苯基异

氰酸酯对完全氧化的石墨烯进行化学亲油改性，使之剥离和分散在有机

溶剂中。剥离的石墨烯均匀分散在聚苯乙烯溶液中，加入少量还原剂即

可恢复石墨片层的导电性。在还原过程中，聚苯乙烯的存在有效地阻拦

了石墨纳米片层的聚集，这是该方法成功的关键。该复合材料具有较低

的渗阀值，在0.1％的体积分数下即可以导电，1％体积分数下导电率可

达0.1Sm—1，可广泛应用于电子材料。氧化态石墨烯只有在还原情况下

才能发挥其优异的电学和力学行能，为了解决氧化石墨烯原位还原制备

复合材料过程团聚现象的发生，加添石墨烯在各种聚合物单体中的浸润

性，Stankovich利用苯乙烯磺酸钠包覆氧化态石墨烯，降低了石墨烯之

间的接触面积，从而阻拦其在还原过程中不可逆自聚。

Haddon所领导的小组制备了石墨烯．环氧树脂纳米材料。首先制

备石墨烯的丙酮分散液，与环氧树脂均匀混合固化后得到复合材料。热

导率测试表明厚度小于2nm的石墨烯片特别适合作为环氧树脂的填料，

在添加量达到25％时，热导率可以提升3000％，达6.44WmoKl。复合材

料杰出的热导性能重要由石墨烯的二维单原子层结构，高的纵横比，硬

度和低的热界面阻力。但该方法使用了溶剂，使得在所得复合材料中有

显现微纳孔洞的可能。

石墨烯的添加不仅有利于聚合物基体电性能，热传导性能的改善，

对于提高玻璃化变化温度，复合材料力学性能也具有重点意义。Ruoff

和Aksay等人在聚丙烯腈及聚甲基丙烯酸甲酯中加入仅1％及0.05％的

石墨烯纳米片后，发觉他们的玻璃化变化温度提升30℃，此外包括杨氏

模量，拉伸强度，热稳定性等一系列力学及热学性质得到提高。同时，

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他们发觉使用石墨烯作为加强或改性添加剂的用量与使用的膨胀石墨或

者单壁碳纳米管相比可以大幅度减小，重要是由于使用化学氧化热膨胀

法制备的石墨烯表面有含氧官能团可以与极性的复合物（如PMMA）基体

有效结合，形成中心相的聚合物微区，在很大程度上影响了聚合物热学

和力学的渗滤阀值。

2电子器件

石墨烯特有的室温量子霍尔效应，无损狄拉克费米子，极高的电

子迁移率等性能使其在电子器件方面也有广泛应用。IBM讨论中心院士

及纳米科学与技术部经理Avouris表示他的试验室测量到最快的石墨烯

晶体管其运行频率在栅极长度达到150nm时可以达到26GHz，依据峰值

频率随栅极长度减小而加添，石墨烯晶体管的频率可以达到太赫兹。层

状石墨烯技术可以有效解决使用窄带石墨烯作为晶体管通道所带来的噪

声问题。Berger等人制备了超薄外延生长石墨膜表现出明显的2维电子

气性能。薄膜由三层石墨烯片层构成，通过碳化硅的热降解生长制各得

到。低温电导范围宽，4K下，方块电阻从1.5到225k，带有正的磁导

率，低电阻样品显示其二维弱区域化特征。Gilje等利用还原沉积于Si

／SiO2基体上氧化石墨片制备石墨烯。电导测试表明化学还原后的石墨

烯的电导率加添10000倍。当门电压由+15变化到—15V区间，化学还

原石墨烯具有场效应反馈。

3锂离子电池

石墨烯，作为一种二维碳原子单原子层纳米材料，是石墨的基本

构成单元。讨论表明其具有石墨烯具有特别的电子特性，诸如室温量子

霍尔效应，无损输运，并具有高模量，高强度等力学特性。这些特性使

得石墨烯成为理想的锂离子二次电池的负极材料。回顾炭负极材料的讨

论历史，早期关于硬炭负极材料的讨论就已经发觉石墨烯片层可以提高

锂电池的储存能量和循环效能。

石墨烯类负极材料又分为含碳石墨烯类和石墨烯壳层包覆类，其

中含碳石墨烯类又分为石墨化炭（有序石墨烯），非石墨化炭（无定形

石墨烯）；石墨烯壳层包覆分为石墨烯包覆金属以及包覆金属氧化物。

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石墨作为石墨烯构成的最基本炭材料形态，具有良好的充放电性能，可

接受的比容量372mAh.g4超级电容器