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石墨烯及其在陶瓷中的研究现状与前景分析

作者：江期鸣 黄惠宁 何乾 戴永刚 来源：《佛山陶瓷》2017年第11期

摘要：石墨烯以其在力、热、光、电和磁等方面具有的优异物化性能和独特的二维结构成为国内外材料领域的研究热点。本文主要介绍了石墨烯结构、石墨烯性质、石墨烯制备方法、石墨烯表征方法、石墨烯复合材料的分类、石墨烯的问题及其应用，并对国内外石墨烯及其在陶瓷中的研究现状进行了评述，同时，分析石墨烯及其在陶瓷中的发展前景。 关健词：石墨烯；陶瓷；复合材料；研究现状；发展前景 1引言

随着社会的进步，科技创新也取得了巨大的进展。科学家安德烈-海姆在2004年通过胶带首次制备了石墨烯，并于2010年，被授予了诺贝尔奖。之后，因其独特的物化性质，石墨烯及其复合材料在材料生物能源等领域取得了广泛的应用。当前，石墨烯在陶瓷中的应用还处于早期研究阶段，但从长远来看，其挑战与机遇并存。当今，陶瓷行业虽为传统产业，随着对陶瓷材料的要求越来越高，将新材料与传统陶瓷相结合，有利于促进陶瓷制备技术的进步与发展。因此，将石墨烯与陶瓷材料结合，将是一次伟大的技术革新，对陶瓷产业具有重要而深远的意义。 2石墨烯概述 2.1石墨烯的结构

石墨烯可被看作单原子层石墨，是由包裹在蜂巢晶体点阵上单层聚集的厚度为0.335 nm、间距为0.14 nm的C原子组成，π电子在同一平面上形成离域大π键，C原子通过sp2杂化形成平面六元环，再周期性排列形成二维结构，其结构如图1所示。

另外，其它维度碳材料亦是由石墨烯基本单元组成。它可缠绕形成零维富勒烯

（Fullerene），也可卷曲形成一维碳纳米管（carbon Nanotube），还可层层堆垛形成三维石墨晶体（Graphite），如图2所示。 2.2石墨烯的性质

由于石墨烯独特的单原子层结构，使其在热、电、力、光和磁等方面具备优良的性能。热导率是5.3×103W/（m·K），室温下电子迁移率是2.0×105cm2/（V·s），杨氏模量是1.1×103GPa，断裂强度是130 GPa，禁带宽度为0，透光率为97.70%，电阻率为1.0×10-6

Ω·cm，石墨烯比表面积理论值是2.63×103m2/g。同时，其特殊的结构使其具有量子隧道效

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应、分数量子霍尔效应、量子霍尔铁磁性、双极电场效应以及零载流子浓度极限下的最小量子电导率等特性。 2.2.1电学性能

石墨烯特性之一包括载流子特性和狄拉克费米子属性。因在费米能级处局部堆叠的导带与价带，且能隙是零，载流子能做到亚微米运动而未经散射，为现今电阻率最小材料。石墨烯内电子运动受干扰影响小，室温条件下，电子迁移率大于1.5×104cm2/（V·s）。而在载流子密度小于5.0×109cm-2情况下，电子迁移率甚至可达到2.0×105cm2/（V·s）。 2.2.2光学性能

单层悬浮石墨烯对于白光的透光率为97.70%，且透光率会伴着层数增加而呈线性减小目。

2.2.3热学性能

对于室温条件下，石墨烯热传导率为3.0×103～5.0×103W/（m·K），纳米电子学中热耗散问题能因此得以解决。目前，科学家仍未观察到C原子缺失，然而Meyer等人实验发现单层石墨烯并非平整，其表面存在褶皱，同时会因其层数的减少变得严重。有些科学家从热学角度分析，石墨烯可能会降低表面能，由二维向三维转化，也可能被认为是石墨烯存在的必要条件。

2.2.4力学性能

石墨烯C原子结合较灵活，C原子面被加以外力则卷曲变形，不会让C原子重组，确保了其结构稳定性。Lee等使用原子力显微镜纳米压痕技术对石墨烯的力学性质进行相关检验，结果表明，其断裂强度达42.0 N/m，杨氏模量则达7.0 TPa。 2.3石墨烯的制备方法

当今，石墨烯可用物理与化学方法来获取，其中物理方法有取向附生法、机械剥离法、SiC外延法等，其可从完整高晶格的石墨或其它相似材料得到，尺度大于80nm。化学方法则有化学气相沉积法、氧化还原法等，利用小分子合成或者溶液分离的方式，其尺度小于10 nm。另外，还有电弧法、电化学方法、热膨胀剥离法、有机合成法等其它制备方法。下面就几种主要制备方法作了对比，如表1。 2.4石墨烯的表征方法

石墨烯的测试表征现可归纳成图谱类和图像类。图谱类是以紫外光谱（UV）、红外光谱（IR）、拉曼光谱（RA-MAN）、x射线光电子能谱（XPS）与傅立叶红外光谱（VFIR）为

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主。而图像类则以扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、光学显微镜（OM）与原子力显微分析（AFM）为代表。其中，判别其层数一般使用拉曼光谱、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微分析与光学显微镜，而对石墨烯结构的表征和监控石墨烯合成过程则一般使用红外光谱、紫外光谱与X射线光电子能谱。具体表征方法如表2。 各种测试表征方法能起到相应作用，但均有一定局限性，所以实际研究应用中需要选取适宜的方法，并作比较才能得到相关准确信息。 2.5石墨烯的问题

2.5.1石墨烯的断裂韧性问题

美国莱斯大学与佐治亚理工学院的Peng Zhang，Lulu Ma等试验了以2个单原子层厚的纯碳片重叠成的“双层”石墨。细小裂缝经由聚集离子束的照射产生。之后，为观测裂缝扩张速率，拖拉并扭转石墨，直到其最终断裂。实验结果表明，虽然石墨烯是当今最硬的材料，但其断裂韧性对裂缝的存在十分敏感，当材料被拉伸时它可能会断裂，抵抗裂缝能力较差。理想的石墨烯断裂强度可达100 GPa，但当其存在缺陷时，断裂前仅可承受的压力为4 MPa。另外，石墨烯还有难以制备、生产成本高和层结构缺陷等缺点。 2.5.2石墨烯的均匀分散问题

当石墨烯与其它材料进行复合时，常存在难分散均匀的问题。石墨烯的化学惰性、疏水性和比表面积大使得其不易均匀分散，吸附力与本身性能减弱，最终影响到石墨烯复合材料性能的改进。另外，只有当施以外力才能让不可逆的团聚得以分散。解决团聚的方法可分物理和化学分散两大类，包括石墨烯的功能化、原位聚合法、石墨烯改性以及其它改性方法等。虽然利用以上方法可抑制石墨烯团聚，但是还不能确定复合材料性能是否会受到石墨烯在加入基体材料时带入的杂质影响。

至今，石墨烯在改进基体材料的应用中主要是作为增强体。但石墨烯在复合材料中的均一分散还存在问题，使得石墨烯复合材料的研发存在难度和挑战。但现在关注点主要在功能化处理方面，而有关石墨烯均匀分散的研究还不多。因此，需研究解决石墨烯团聚的方法，为石墨烯复合材料的制备提供理论与实践依据。 2.6石墨烯的复合材料

石墨烯复合材料现主要分为聚合物类复合材料和无机物类复合材料两大类，它们在各方面都显示出优异性能。

2.6.1石墨烯聚合物复合材料