不同石墨烯基材料对复合材料热性能影响的对比研究(2)
环氧树脂是一种韧性较好，且自身具有一定导热能力的高分子材料。固化后的环氧树脂力学性能优异，且耐环境腐蚀。因此，石墨烯增强环氧树脂基复合材料具有重要的研究价值和实际意义。通过对比研究不同石墨烯基材料对环氧树脂复合材料热性能的影响和改性，已经成为聚合物复合材料科学研究的热点之一。
1.1 石墨烯概况
2004年，英国曼彻斯特大学的天文物理学教授Geim等人[1]利用微机械剥离法首次从石墨成功剥离制备出二文平面结构的石墨烯，并发现这种二文物质不仅能够在室温下稳定存在，而且还表现出其它材料难以实现的极为优异的综合性能。这一成果不仅在材料科学理论研究方面引起了广泛轰动，同时也掀起了一股研究石墨烯应用的热潮。目前为止，人们已经发现石墨烯在纳电子器件、能量储存、生物材料等多种领域都具有着广阔的应用前景[2,3]。另外，石墨烯在聚合物复合材料改性方面，也同样取得了一定的研究进展，并已在实验室中制备出了许多性能优异的石墨烯复合材料[4]。
严格意义上的石墨烯是指仅一个原子层厚度的，由碳原子以sp2杂化紧密排列而成的二文结晶结构材料[5]，原子呈蜂窝状排列，厚度约为0.35nm，是目前世界上已知的厚度最薄的材料。其示意图如图1.1所示。而实际上，由于层数在10层及10层以下的石墨材料同样具有单层石墨烯相似的性能。因此，科学家们也将这些结构的石墨称为石墨烯，具体可分为单层、少层和多层石墨烯。而层数超过10层时，就不能再称其为二文平面材料了。
图1.1 石墨烯晶体结构示意图
正是由于石墨烯所特有的二文平面结构，使得石墨烯具有许多其它材料难以比拟的优异性能。如石墨烯的理论比表面积高达2600m2/g[6]，理论强度高达130GPa，载流子迁移率为15000cm2/(V•S)。另外，单层石墨烯的热导率为5300W/(m•K)，是金刚石的3倍多。并且，由于石墨烯的化学键相当牢固，其热稳定性也相当出色。
1.2 石墨烯衍生物
目前，石墨烯的制备方法五花八门，层出不穷[7]。多数制备方法如CVD法、加热SiC法、取向附生法等工艺较为复杂，重复性差，且制备过程中难以控制石墨烯片层层数及片层平面的结构完整性。目前，广泛受到研究者关注并被采用的方法是氧化还原法。通过氧化石墨烯还原制备石墨烯是一种简单，低成本并可用于大规模工业生产的方法。氧化还原法的一般步骤是先将石墨化学氧化得到含有大量羧基、羟基、环氧基等含氧基团的氧化石墨，再经机械剥离制备氧化石墨烯，最后将所得氧化石墨烯还原便可得到石墨烯。而石墨的氧化一般采用B法、S法和H法三种；氧化石墨烯的还原则以化学还原法、热还原法和电化学还原法为主。
1.2.1 氧化石墨烯
氧化石墨烯是由石墨经强氧化剂氧化，再于溶液中经机械作用剥离形成的具有含氧官能团的石墨烯。在氧化石墨烯的结构中，由于氧原子的侵入，使得石墨烯原本的碳网平面结构遭到一定破坏。研究发现氧化石墨烯的碳网平面结构中与羟基相连的碳原子会发生轻微的扭曲。其结构示意图如图1.2所示。
图1.2 氧化石墨烯的结构示意图
氧化石墨烯的结构虽然受到了一定的破坏，导电性也低于石墨烯，但其仍能满足许多应用要求。氧化石墨烯具有与石墨烯相似的二文平面结构，但在片层表面多出了许多含氧官能团使得层间能以氢键结合。因此，氧化石墨烯也具有一些特殊的性能：如氧化石墨烯比石墨烯更容易与水分子发生水合反应而均匀分散于水溶液中形成氧化石墨烯的悬浊液；氧化石墨烯的热稳定性较差，室温下就会自发脱氧，干燥的氧化石墨烯在200℃时会发生爆炸性分解。另外，当将相同含量的氧化石墨烯和石墨烯分别加入到聚合物基体中时，石墨烯能更有效地提高材料的热导率。Haddon等人[8]研究发现在高分子复合材料中加入25vol%的石墨纳米片，热导率提高到了6.44 W/(m•K)；而Ganguli等人[9]在环氧树脂基体中加入功能化氧化石墨烯后，发现当氧化石墨烯含量达到20wt%时，热导率只有5.8 W/(m•K)。