优化固化工艺提高石墨烯复合材料热性能的研究 (3)
虽然以石墨层间化合物为填料的聚合物纳米复合料仍是一个研究热点，但近些年，大批的焦点转向了以从氧化石墨衍生的石墨烯作为填料的复合材料。GO衍生材料可以具有较高的电导率，高弹性模量（可以达到208GPa到650Gpa，甚至以上）[8]，并且易于官能化，且和主体聚合物的相容性良好。研究表明，GO衍生物作为填料，其刚度和导热性均比纳米粘土要高，但整体不如单壁碳纳米管(SWNTs)。然而，二文片层状石墨烯在分散在聚合物复合材料中可提供某些特性的改进，如抗气体渗透性[8]的改进，而这些是单壁碳纳米管无法实现的。
石墨烯的制备方法一般有以下几种：(1)取向附生法：在1150摄氏度[9]下，将碳原子渗入钌元素层中，随后将渗入碳原子的钌层冷却到850摄氏度[9]，钌层表面会渗出碳原子逐渐生长成一层完整的石墨烯，当碳原子的覆盖度达到80%以后可继续进行第二层石墨烯的生长。这种方法得到的石墨烯比较难制备出厚度均匀的石墨烯，因为在渗出碳原子的过程中，石墨烯的厚度较难加以控制，而且其制备出的石墨烯的性能也会受到钌层和石墨烯层间作用的影响。(2)加热SiC法：加热6H-SiC单晶体，使硅从单晶上脱离，这样可以在单晶表面形成一层单层碳原子的石墨烯结构。继而使用氧气或氢气进行样品的刻蚀，为去掉其氧化物可以使用电子轰击加热的方式[10]，将样品进行加热，即可形成单一的石墨烯层。这种加热SiC的方法同样不易控制石墨烯的生长厚度，由于石墨烯厚度在很大程度上取决于加热时的温度，所以对加热时仪器的温度控制要求很高，当所需制备的石墨烯面积较大时难以得到厚度单一均匀的石墨烯；另外硅材料层与石墨烯接触也会导致石墨烯的导热性受到影响。(3)化学气相沉积法：将几种混合的气态物质导入反应腔，混合气体在反应腔中反应，生成物的新材料沉积在衬底表面形成薄膜，化学气相沉积法经常用于制备半导体薄膜材料，所以其工艺技术非常完善。虽然有希望可以将石墨烯的生产扩大规模，但在制备石墨烯材料时，所得的石墨烯材料由于受到衬底材料的影响，性能经测试并不算好，无法表现出量子霍尔效应等[11]效应。(4)氧化石墨烯还原：将强氧化剂和石墨进行相互作用，将离子或基团插入石墨层间隙，这样可以扩大石墨层片之间的间距，并在石墨片层上经过氧化形成羰基和羟基等含氧基团，这些基团的亲水性好，这样让片层间的范德瓦尔力得以减弱，即通过机械力，比如在超声振动下，可将石墨片层间距已经扩大的石墨片剥离分开，在溶剂中得到均匀分散的氧化石墨烯悬浊液，经过气基肼，硼氢化钠，对苯二酚，抗坏血酸等[12]还原剂对氧化石墨烯进行还原处理，还可以使用热还原法或微波处理对氧化石墨烯进行还原，以除去其中的含氧官能团得到石墨烯。这种方法由于可能一些含氧官能团未能彻底除尽，而导致石墨烯丧失一些优良的特性，比如对石墨烯的导热性能[12]有影响，但介于这种方法操作简单，成本较低，能够进行实际的工业大规模生产，可以制备大量石墨烯。
1.2.2 石墨烯的性能
实验室中很难制备出结构完美的石墨烯，理想的石墨烯应该是完美的蜂窝状二文晶格结构，单层碳原子紧密堆排的片层状碳材料，碳原子sp2杂化，剩余的p轨道形成大π键，其中的π电子可以在平面内自由移动，石墨烯这种优尔角形的平面薄膜便因此具有了良好的导热性能，理想的碳-碳优尔圆环中碳原子间距为0.14纳米，而单层石墨烯应为一个碳原子的厚度，即0.34个纳米[13]，是迄今为止世界上厚度最小的材料。如图1-1所示。