《石墨烯及其复合材料的制备与性能》读后感
《石墨烯及其复合材料的制备与性能》读后感
该书阐述了石墨烯及其复合材料的制备、性能及应用，在分析石墨烯近期研究和应用成果的基础上，进一步研究复合材料各组分之间的相互作用、机理，及其结构与性能之间的关系，丰富了石墨烯及石墨烯基复合材料相关领域的基础理论。
现将该书知识要点梳理、整理并记录如下：
一、石墨烯结构和性能
石墨烯，是由单原子层厚度的碳原子组成的二维蜂窝状结构，碳原子以六元环形式周期性排列于石墨烯平面内。单层石墨烯是构建其他维数碳材料的基本单元。它可以卷曲成零维(0D)的富勒烯，叠合成一维(1D)的碳纳米管，还可以堆垛成三维(3D)的石墨。石墨烯的发现打破二维晶体材料不能稳定存在的认知。
石墨烯独特的二维纳米结构赋予了其诸多优异的电学、力学、热学等性能，使其在复合材料、微纳米器件等领域具有广阔的应用前景。
二、石墨烯制备方法
目前，石墨烯的制备方法主要包括:机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法和氧化石墨烯还原法等。结构完整、质量可控并容易规模化生产的原料是进行石墨烯研究及实际应用的基础。除上述一些制备方法外，其他一些新颖的方法也不断被用于石墨烯的制备，如电弧放电法、有机合成法、碳纳米管切割法及自组装法等。然而，上述制备方法虽然能够制得高质量的石墨烯材料，但均受限于成本高昂、操作复杂、效率低下等不足而无法用于石墨烯的低成本和规模化生产。
（一）机械剥离法
机械剥离法是通过机械力或者超声波作用破坏块体材料石墨层间的范德华力，将纳米片层从主体上一层一层剥离下来，最终获得石墨烯的一种方法。随着研究的不断深入，人们发现用超声波辅助液相剥离技术制备石墨烯的方法比较适用于大规模生产。溶剂剥离法的原理是将少量的石墨分散于溶剂中，形成低浓度的分散液，利用超声波的作用破坏石墨层间的分子力，此时溶剂可以插人石墨层间，将石墨层层剥离，从而制备出单原子层的石墨烯。
（二）化学气相沉积法
化学气相沉积法是一种在炉腔内通入化学气体，在一定温度下通过化学反应对含碳化合物进行分解，在衬底上沉积并生长成薄膜的方法。
（三）氧化还原法
相比于其他制备方法，氧化还原法操作简单，产物的产量高，是目前可用于规模化制备石墨烯的方法。 该方法以石墨为原料出发，经过石墨的氧化、氧化石墨的剥离与氧化石墨烯的还原最终制备得到石墨烯。
三、石墨烯的功能化
由于石墨烯结构完整，化学稳定性高，其表面呈惰性状态，与其他介质(如溶剂等)的相互作用较弱，并且石墨烯片与片之间有较强的范德华力，容易产生聚集，使其在水及常见的有机溶剂中难于分散，这给石墨烯的进一步研究和应用造成了极大的困难，因此，对其进行有效的修饰和功能化提高其分散性尤为重要。所谓功能化就是利用石墨烯在制备过程中表面产生的缺陷和基团通过共价、非共价或掺杂等方法，使石墨烯表面的某些性质发生改变，更易于研究和应用。
四、石墨烯基复合材料
由于石墨烯独特的结构和优异的性能，越来越多的研究致力于石墨烯材料在各个领域的应用研究，石墨烯改善复合材料的性能是石墨烯应用领域中的一个非常重要的研究方向，其在能量储存、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出了优良性能，具有广阔的应用前景。目前，石墨烯复合材料的研究主要集中在石墨烯/聚合物复合材料和石墨烯基金属颗粒复合材料上，而随着对石墨烯研究的不断深入，石墨烯增强体在块体陶瓷基复合材料中的应用也越来越受到人们的重视。
（一）石墨烯/聚合物复合材料
石墨烯具有优异的物理和电学性能。氧化石墨原料易得，成本低廉，比表面积大且表面官能团丰富，经过改性和还原后可在聚合物中形成较好的纳米级分散相，显著改善聚合物的热学性能、力学性能以及电学性能。近年来，已报道了多种将石墨烯分散到聚合物中的制备方法。
（二）石墨烯/相变复合材料
相变材料是一种利用相变过程实现热能存储和释放的功能材料。石墨烯具有大的比表面积和优良的导热性能，可作为导热填料制备相变符合材料，研究结果表明，参加少量石墨烯可提高相变材料的热导率。石墨烯具有高的热导率，能够提高相变材料的导热性能。可广泛应用于航天、建筑、服装等领域。
（三）石墨烯/水泥基复合材料
水泥基复合材料是目前使用量最大的建筑材料。随着对水泥基复合材料性能的要求日益提高，而水泥基复合材料是脆性材料，因此，提高水泥基材料力学性能和耐久性等一直是研究的重点之一。添加少量的石墨烯或氧化石墨烯会降低水泥基复合材料的流变性能，同时明显提高水泥基复合材料的力学性能、电学性能和耐久性。
（四）其他石墨烯复合材料
1.石墨烯具有优异的力学和物化性能，将其复合到陶瓷基块体复合材料中，对提高材料综合性能有很大的潜力，有希望得到具有某些独特性能的结构一功能一体化陶瓷复合材料。目前的研究表明，石墨烯可显著提高陶瓷块体复合材料的电学性能。同时石墨烯可大幅度提高陶瓷块体复合材料的机械性能，特别是在断裂韧性增强方面效果显著。
2.石墨烯具有高强度、高导电、高导热等优异性能，制备石墨烯/金属复合材料，将对金属基复合材料的设计和性能提升带来巨大的影响。
3.由于石墨烯具有较高的电子传导率、大的比表面积和良好的热稳定性等特点，因此金属纳米粒子可以很好地负载在石墨烯片基底上。通常情况下，石墨烯可以增强金属纳米粒子的催化活性以及反应活性、疏水性以及静电相互作用两者复合的主要驱动力。
综上可见，石墨烯可以成为复合材料中的功能性组分，制得的各种石墨烯基复合材料具有优异的电学、光学、力学和热学性能，被广泛应用于催化、高强度材料、能量转换与存储、生物技术、生化传感器等领域。
五、氧化石墨烯结构、制备
石墨烯以其优异的物理和化学性能以及在各种行业中的广泛适用性而引起了越来越多的研究热潮。为了满足工业上不断增长的需求，已经开发了各种方法来生产高质量石墨烯。氧化还原法是目前生产石墨烯材料的主要方法，而氧化石墨烯则被普遍认为是生产制备石墨烯材料的重要前驱体，氧化石墨烯结构中存在大量的含氧官能团。
氧化石墨烯是制备石墨烯的前驱体，具有优异的力学性能和良好的分散性。氧化石墨烯的含氧官能团具有不同的反应活性，更易于制备复合材料。此外，氧化石墨烯还可以通过化学键使其功能化，通过静电相互作用、范德华力和氢键等方式实现与其他材料的复合，并拼装成大规模的石墨烯结构。氧化石墨烯及其衍生物的这些独有的特性已用于电化学储能、海水淡化、制备透明导电膜、印刷电子产品、传感器和聚合物复合材料的制造等领域。
氧化石墨烯的制备主要包括石墨的氧化和氧化石墨的剥离。石墨的氧化方法主要有Brodie、Staudenmaier和Hummers三种方法。氧化石墨的制备原理基本类似，使用氧化剂作氧化处理用以扩大其层间距制备氧化石墨。一般会用到的氧化剂比如HNO3、KMnO4、NaNO等。氧化石墨的剥离一般采用超声剥离法。将氧化石墨悬浮液在超声波中进行处理。由于其剥离程度较高，所以超声剥离法是目前广泛使用的方法。氧化石墨烯片层的厚度和尺寸可以通过超声功率及超声时间进行控制。除超声剥离法外，还可通过热剥离和电化学剥离等对氧化石墨进行处理。
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