石墨烯复合材料技术

随着人类对能源与日俱增的需求，寻找清洁能源是当代科学的研究发展方向。石墨烯作为一种二维碳材料，凭借其独特的物理化学性质，在新能源研究及实际生产中得到了广泛的关注，为能源领域的不断发展提供了无限潜力。氧化石墨烯是石墨烯的一种衍生物，其中大量的含氧官能团使其成为石墨烯功能化应用的重要物质，氧化石墨烯及其复合物在锂离子电池、超级电容器、燃料电池、太阳能电池等领域有了越来越多的发展和应用，促进了新能源领域的快速进步，对提高能源的利用效率、节能减排及环境保护意义重大。利用氧化石墨制备的石墨烯导热膜，导热系数高。石墨烯复合材料技术

由于表面富含活性含氧基团，能与一些含极性基团的聚合物产生较强的作用力，所以氧化石墨烯通常被作为一种纳米填料添加到聚合物当中以增强聚合物的物理性能。Liang等人报道了用氧化石墨烯增强聚乙烯醇的研究，他们发现氧化石墨烯添加量*为0.7wt%时，聚合物的力学性能就得到了***的提高，如杨氏模量提高了76%，而比较大拉伸强度提高了62%[62]。Cai等人利用氧化石墨烯增强聚氨酯，发现当氧化石墨烯添加量为4.4wt%时，聚合物基体的杨氏模量和硬度分别增加了900%和327%[63]。Xu等人同样制备了氧化石墨烯/聚乙烯醇复合材料，不过他们用了一种新颖的抽滤成膜的方式，在得到的复合材料薄膜中，由于真空抽滤产生的向下的吸引力，使二维的氧化石墨烯片层以有序的状态排列于聚合物基体之中，得到―砖墙式‖结构的复合材料薄膜[64]。这种复合材料的性能变化与氧化石墨烯含量的变化成近似正比的关系，如图1-5所示。Putz等人同样用这种方法制备了高含量氧化石墨烯的聚乙烯醇及聚甲基丙烯酸甲酯复合材料，这种材料的杨氏模量更是可高达接近40GPa，远远超过了一般聚合物/无机纳米复合材料所能达到的力学性能范围[65]。福建导热石墨烯复合材料产品介绍玻纤增强复合料材质地轻、流动性好，良好的加工性能。

GO的亲水性好，易于分散到水泥基复合材料中。表5.3总结了文献中GO对于水泥基复合材料力学性能的影响，由表5.3中的实验数据可见，添加GO能够提高水泥基复合材料早期和后期的力学强度。由于国内外各研究者所用的GO不同，所以实验结论中GO的比较好掺量以及对于水泥复合材料的提升效果也有较大差异。关于GO与水泥基复合材料的作用机制，研究者也有不同的观点，目前仍没有定论。水泥基复合材料本身是由水泥，水，砂，石等几种不同物质组合在一起形成的一种混合材料，所以，从宏观方面，其性能和组成材料有很大关系，水泥、水/胶凝材料的比例、GO类型和养护龄期等因素对水泥基复合材料的机械强度都有很大影响。从微观方面，GO的聚集、分散、尺寸和官能团也对水泥基复合材料的力学性能有影响。

目前的负极材料中，硅被认为是相当有有潜力的负极材料之一，因为它在自然界中含量多，还具有低的嵌锂电位和很高的理论比容量。存在的问题是在锂离子脱嵌过程中，硅的体积变化比较明显，使得材料与负极集流体之间粘结性变差，造成电池循环性能的大幅度下降。同时硅还会在电池循环过程中出现团聚现象，引起电池容量的迅速下降。将硅材料和石墨烯进行复合，石墨烯可以抑制硅材料在充放电过程中的团聚，减缓硅材料的体积变化，从而提高电池的容量和循环性能。此外，石墨烯有助于电解液的浸润，从而提高电池的性能。He等通过喷雾干燥法制备了一种高性能的石墨烯/硅复合材料（图6.1），将氧化石墨烯与纳米硅超声混合，通过喷雾干燥后在700℃下进行煅烧得到复合材料，在200mAg-1的电流密度下充放电30次后，容量仍可达到1502mAhg-1，其容量保持率为98%，说明该石墨烯/硅复合材料具有良好的循环性能由于石墨烯独特的电子结构及良好的导电性，因此石墨烯很有可能成为组成纳米电子器件的比较好材料。

氧化石墨烯（GO）纳米片表面存在亲水官能团，可以在水中形成稳定的悬浮液，对水泥基材料具有很高的亲和力，易于掺入水泥基材料中。目前，关于GO改性水泥复合材料的研究已经很多，国内外相关研究表明，GO对水泥基材料各项性能的影响非常***，GO的添加可以影响水泥基材料的水化过程，提升水泥基材料的力学性能和耐久性，GO还可以用于水泥基复合材料的功能相，提高水泥基材料的吸附性能、电磁屏蔽性能、导电性能等91-93，因此在水泥复合材料中具有很好的应用前景。石墨烯含有丰富的官能团，易于分散。山东石墨烯复合材料制造

石墨烯导热性能优异，可制备导热复合材料、散热涂料等。石墨烯复合材料技术

对氧化石墨烯的化学还原早在1962年就有过文献报道，Boehm等人发现片层氧化石墨能在碱性，水合肼，硫化氢或二价铁离子的条件下还原成只含少量H和O的碳纳米片层[49]。2007年，Ruoff等人系统的研究了水合肼对氧化石墨烯的还原，他们先将氧化石墨在水中进行超声剥离得到稳定分散的氧化石墨烯水溶液，再加入水合肼，并在80°C左右回流，发现随着反应的进行，许多黑色固体颗粒从溶液体系中沉淀下来。说明随着含氧基团的离去，石墨烯片层间的π-π共轭作用增强致使石墨烯在水中发生了不可逆的团聚[89]。这种团聚现象可以通过对氧化石墨烯的表面修饰得到控制，比如，Ruoff等人在氧化石墨烯水溶液中加入聚苯乙烯磺酸钠（PSS）后再进行还原，由于PSS与石墨烯的非共价作用，抑制了石墨烯的团聚，得到了稳定的单层石墨烯溶液[90]。随后，各种表面活性剂[91]，共轭聚合物[92,93]，共轭小分子[94,95]等也被用来非共价修饰还原石墨烯。还原氧化石墨烯之前对之进行共价改性也能抑制石墨烯的团聚，如Ruoff等人先用异氰酸苯酯对氧化石墨烯改性，再用二甲肼还原，同样得到稳定的石墨烯溶液[96]。用聚合物对氧化石墨烯进行共价改性后再还原也是目前常用的制备可溶性石墨烯的方法。石墨烯复合材料技术