石墨烯是最近幾年才發(fā)現(xiàn)的炭材料的新成員，其完美的二維結(jié)構(gòu)和許多奇特的性質(zhì)，引起了科學(xué)家的極大興趣。石墨烯和氧化石墨烯的改性以及各種石墨烯/聚合物復(fù)合材料的制備成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。與純的聚合物相比，石墨烯的加入可賦予復(fù)合材料不同的功能性，不但表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)性能，且具有優(yōu)良的加工性能，為復(fù)合材料提供了更廣闊的應(yīng)用空間。文中概述了石墨烯/聚合物復(fù)合材料的制備方法、結(jié)構(gòu)及性能，并展望了石墨烯及其聚合物復(fù)合材料的研究前景。

　　近20年來，納米科學(xué)蓬勃發(fā)展，由于微型化在各個(gè)領(lǐng)域中，如計(jì)算機(jī)、傳感器、生物醫(yī)藥等越來越重要，納米技術(shù)也越來越受到重視。納米科學(xué)最初的設(shè)想來自于著名物理學(xué)家費(fèi)曼1959年在加州理工大學(xué)的一次演講。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，特別是20世紀(jì)末期，隨著測量與表征技術(shù)的顯著提高，納米科學(xué)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，已經(jīng)成為一個(gè)集前沿性、交叉性和多學(xué)科特征于一體的新興研究領(lǐng)域，其理論基礎(chǔ)、研究對象涉及物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械學(xué)、微電子學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等多個(gè)不同的學(xué)科。這些領(lǐng)域的發(fā)展與納米材料的發(fā)展息息相關(guān)，包括制備不同大小和形狀的納米材料以及將其組裝成各種不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)。用納米材料制作的器材質(zhì)量更輕、硬度更強(qiáng)、壽命更長、維修費(fèi)更低、設(shè)計(jì)更方便，同時(shí)利用納米材料還可以制作出特定性質(zhì)的材料或自然界不存在的材料，例如生物材料和仿生材料。由于納米材料具有一些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)性能，在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。因此，材料科學(xué)家們一直致力于開發(fā)出具有更優(yōu)異物理和化學(xué)性質(zhì)的新型納米材料。石墨烯的發(fā)現(xiàn)及其聚合物基復(fù)合材料的制備是納米科學(xué)領(lǐng)域的重要突破，對現(xiàn)代納米科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義。Toyota課題組所研發(fā)的納米黏土/聚合物復(fù)合材料為材料科學(xué)領(lǐng)域開拓了新的視野，尤其是采用無機(jī)納米填料制備的無機(jī)納米填料/聚合物復(fù)合材料由于性能獨(dú)特與應(yīng)用廣泛而引起了人們極大的關(guān)注。20世紀(jì)90年代，大部分研究主要集中在基于天然的層狀材料如蒙脫土和層狀氫氧化物的納米填料/聚合物復(fù)合材料，但是黏土類材料的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能都很差。為了克服這方面的缺陷，碳基填料，例如炭黑、膨脹石墨(EG)、碳納米管(CNTs)和碳納米纖維(CNF)也被引入到高分子復(fù)合材料中。在這些材料中，CNTs是十分有效的導(dǎo)電填料，但價(jià)格十分昂貴；因此，大量生產(chǎn)CNTs填充的復(fù)合材料十分困難。Nicholas在Nature上的一篇綜述中寫道：碳纖維不導(dǎo)電，碳納米管又太貴，材料科學(xué)家如何能獲得實(shí)際的導(dǎo)電復(fù)合材料呢?答案是石墨烯。石墨烯是sp2 雜化的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的炭材料，這是目前世界上最薄的即單原子厚度的材料，并且有著許多潛在的應(yīng)用。石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能：強(qiáng)度達(dá)130GPa，比鋼高100倍，是目前強(qiáng)度最高的材料；熱導(dǎo)率可達(dá)5000W·m-1·K-1，是金剛石的3倍；石墨烯載流子遷移率高達(dá)15000cm2·V-1·S-1，是商用硅片的10 倍以上。石墨烯還有超大的比表面積(2630m2/g)、室溫量子霍爾效應(yīng)和良好的鐵磁性，是目前已知的在常溫下導(dǎo)電性能最好的材料，電子在其中的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)超過一般導(dǎo)體，達(dá)到了光速的1/300。由于石墨烯具有上述優(yōu)異的性能，有望在微電子、能源、信息、材料和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用空間。

　　石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和力學(xué)性能，可作為制備高強(qiáng)導(dǎo)電復(fù)合材料的理想納米填料，同時(shí)分散在溶液中的石墨烯也可與聚合物單體相混合進(jìn)而經(jīng)聚合形成復(fù)合材料體系，此外石墨烯的加入可賦予復(fù)合材料不同的功能性，不但表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)性能，且具有優(yōu)良的加工性能，為復(fù)合材料提供了更廣闊的應(yīng)用空間。與純的聚合物相比，石墨烯/聚合物復(fù)合材料的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和阻燃性能均有顯著提高，同時(shí)，石墨烯增強(qiáng)的聚合物復(fù)合材料的力學(xué)和電學(xué)性能均較黏土或者其他炭材料增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料的性能優(yōu)異。雖然CNTs的力學(xué)性能與石墨烯相當(dāng)，但是研究發(fā)現(xiàn)，在熱學(xué)和電學(xué)性能方面石墨烯是更好的納米填料。然而，復(fù)合材料的物理化學(xué)性質(zhì)與石墨烯片層在基體中的分散情況以及與基體間的相互作用力密切相關(guān)。結(jié)構(gòu)完整的石墨烯是由不含任何不穩(wěn)定鍵的苯六元環(huán)組合而成的二維晶體，化學(xué)穩(wěn)定性高，其表面呈惰性狀態(tài)，與其他介質(zhì)(如溶劑等)相互作用較弱，且石墨烯片與片之間存在較強(qiáng)的范德華力容易產(chǎn)生團(tuán)聚，使其難溶于水和常用有機(jī)溶劑，這極大限制了石墨烯的進(jìn)一步研究和應(yīng)用。而氧化石墨烯(GO)表面含有大量的含氧官能團(tuán)，如羥基、羧基、環(huán)氧等，這些官能團(tuán)使得石墨烯的改性與修飾成為可能[45-46]；因此，石墨烯氧化物是大規(guī)模合成石墨烯的起點(diǎn)，也是實(shí)現(xiàn)石墨烯功能化的最為有效的途徑之一，可通過將氧化石墨烯作為新型填料來制備功能性納米填料/聚合物復(fù)合材料，以改善納米填料/聚合物復(fù)合材料的力學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等綜合物理性能。

1、石墨烯

　　1.1、石墨烯的發(fā)現(xiàn)

　　石墨烯是碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)材料，它可看做是構(gòu)建其他維數(shù)碳質(zhì)材料(如零維富勒烯、一維納米碳管、三維石墨)的基本單元(圖1)。1940年就有理論指出石墨烯是石墨的組成單元，但自由態(tài)的二維晶體結(jié)構(gòu)一直被認(rèn)為其熱力學(xué)性能是不穩(wěn)定的，不能在普通環(huán)境中獨(dú)立存在。直到2004年，曼徹斯特大學(xué)Geim等從石墨上剝下少量石墨烯單片并研究其電學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)其具有特殊的電子特性以及優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和磁學(xué)性能，從而掀起了石墨烯應(yīng)用研究的熱潮。

圖1 石墨烯的結(jié)構(gòu)：炭材料的基本單元

　　1.2、石墨烯的制備

　　制備石墨烯的方法主要有如下四種：機(jī)械剝離法，即利用膠帶粘貼石墨后再轉(zhuǎn)移到硅片上；化學(xué)氣相沉積(CVD)，例如在鎳表面沉積乙烯；外延生長法，例如在惰性晶體碳化硅上外延生長；氧化石墨烯高溫脫氧或化學(xué)還原法。采用氣相沉積法制備出的石墨烯具有較完整的晶體結(jié)構(gòu)，為石墨烯電子性能的研究提供了重要的基材，但所制得的石墨烯產(chǎn)量較低，難以規(guī)模化生產(chǎn)；化學(xué)法可大量制備石墨烯單片，但起始原料常常有缺陷，以氧化石墨烯為原料制備的石墨烯單片存在不同程度的缺陷。此外，由于石墨烯單片之間存在較強(qiáng)的范德華力，很容易相互吸引而發(fā)生團(tuán)聚，因而如何規(guī)模化制備穩(wěn)定剝離的石墨烯基片對石墨烯材料的研究有著重要的意義。考慮到石墨烯的制備成本和可操作性，采用氧化石墨烯為起始材料經(jīng)過還原制備石墨烯是目前較普遍的制備方法。

　　1.3、石墨烯的表面改性

　　石墨烯片層間具有強(qiáng)烈的π-π相互作用，表面很不活潑，這樣的性質(zhì)同樣使其不能很好地與其他材料進(jìn)行復(fù)合，限制了石墨烯的廣泛應(yīng)用，其復(fù)合材料也不能充分發(fā)揮石墨烯優(yōu)越的性能。化學(xué)法制備的石墨烯是由氧化石墨還原所得，氧化石墨片層結(jié)構(gòu)周邊含有羰基、羧基，中間含有羥基和環(huán)氧基等高活性的含氧官能團(tuán)，可以利用這些官能團(tuán)對石墨烯進(jìn)行接枝、包覆等化學(xué)處理，可以阻止石墨烯在基體中的團(tuán)聚，有助于其在基體中的均勻分散。與碳納米管的改性一樣，石墨烯也可以通過共價(jià)和非共價(jià)鍵修飾，連接在石墨烯表面的官能團(tuán)可以是小分子，也可以是聚合物鏈。目前，文獻(xiàn)報(bào)道的石墨烯官能化主要有氨基化、酯化、異氰酸酯化以及聚合物包裹等，也有采用離子液體對石墨烯進(jìn)行電化學(xué)改性的研究報(bào)道。

3、結(jié)論與展望

　　石墨烯是碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)材料，它可看做是構(gòu)建其他維數(shù)碳質(zhì)材料(如零維富勒烯、一維納米碳管、三維石墨)的基本單元。目前，無論是在理論還是實(shí)驗(yàn)研究方面，石墨烯均已展示出重大的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值，且已在生物、電極材料、傳感器等方面展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢。隨著對石墨烯研究的不斷深入，其內(nèi)在的一些特殊性能如熒光性能、模板性能等也相繼被發(fā)現(xiàn)。由于石墨烯具有較大的比表面積、徑厚比、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，與傳統(tǒng)填料相比，石墨烯增強(qiáng)的復(fù)合材料具有更加優(yōu)異的物理性能。氧化石墨烯巨大的比表面積和表面豐富的官能團(tuán)賦予其優(yōu)異的復(fù)合性能，在經(jīng)過改性和還原后，在聚合物基體中形成納米級分散，從而使石墨烯在改變聚合物基體的力學(xué)、流變學(xué)行為、阻隔性能和熱穩(wěn)定性等方面具有更大的潛力。目前，國外已有石墨烯/聚合物復(fù)合材料的相關(guān)專利報(bào)道，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了能源行業(yè)的燃料電池用儲(chǔ)氫材料，合成化學(xué)工業(yè)的微孔催化劑載體，導(dǎo)電塑料，導(dǎo)電涂料以及建筑行業(yè)的防火阻燃材料等方面。可見，石墨烯的發(fā)現(xiàn)為制備輕質(zhì)、低價(jià)和高性能及多功能的納米填料/高分子復(fù)合材料提供了新的途徑和機(jī)遇。