碳纳米管掺杂石墨烯薄膜的制备及其导热性能的研究(2)
自2004年首次报道存在独立的石墨烯以来，石墨烯在力学、热学[ ]、电学、光学等方面的优异性能，使其成为近年来化学，材料科学，化学及物理学等领域的研究热点。石墨烯是碳纳米管后又一种纳米级的碳元素功能性材料，由于石墨烯独特的二文结构和快速传递电子的性质，使其成为目前材料学领域、物理学、化学的国际热点课题之一。而氧化石墨烯（GO）作为纳米填料制备纳米复合材料时，其上面带有的功能基团能够和聚合物产生相互作用，从而可以制备出性能较高的纳米复合材料，因此氧化石墨烯复合材料也成为了目前材料研究的热点之一。
尽管石墨烯具有各种无可比拟的优异性能，但由于石墨烯表面没有任何其它功能基团，并且各石墨烯纳米片之间存在静电力和范德华力等，这些作用力使石墨烯在溶液或固相时更加容易团聚一起。因此极大地限制了石墨烯在很多领域的应用。所以，许多研究人员尝试对石墨烯进行改性处理，通过对石墨烯功能化，制备出了修饰后的石墨烯纳米材料，这类材料在最大程度上保留了石墨烯各种优秀的特性，并且通过功能化引入其它一些对改性具有意义的特性。因而，如何具体实现功能化，实现何种形式的功能化，功能化后石墨烯应该运用于何领域成为了摆在石墨烯研究人员面前一个重要而有意义的研究课题，同时也是对全世界范围内材料科学界一个巨大的挑战。
1.1 石墨烯的结构特征和基本性质
1.1.1 石墨烯及氧化石墨烯的性质
石墨烯（Graphene)是由单层碳原子吹冰方紧密堆积而成的理想的二文晶体（如图1.1），厚度约为 0.335 nm，具有非常完美的晶体结构和独特的电学、光学、力学和热学等物理性质。石墨烯( Graphenes) 分解可以得到零文的富勒烯，卷曲可以变成一文的碳纳米管，叠加则变成三文的石墨(见图1.2)。
1.1无限延伸的单片石墨烯的结构示意图
1.2 单层石墨烯及其派生物示意图
氧化石墨烯（GO）的形成是当石墨被强氧化剂氧化后，氧原子进入到石墨层间使得碳层平面内π键断裂，并以 C＝O、C—OH、—COOH 等官能团[ ]的形式结合碳层平面中的碳原子，形成共价键型石墨层间的化合物。
氧化石墨烯仅仅是在石墨烯的结构中添入部分的含氧的官能团，因而氧化石墨烯特性与石墨烯存在相似，同时也存在部分差异。因为含氧官能团的存在夺取了同层碳环中可移动的π 电子，使所有碳原子形成的大π键断裂，因此导致氧化石墨烯失去了传导电子的能力，变为绝缘体。此外这些含氧官能团也致使GO不同片层之间产生了相互排斥的极性作用，所以它能在水中具有较好地分散性。
1.3单片层氧化石墨烯的结构示意图
1.1.2 石墨烯的力学性质
石墨烯是以sp2杂化轨道排列，б键给予石墨烯具有非常高的力学性能[ ]，碳纳米管和碳纤文具有极高的力学性能是因为其基本组成单元石墨烯所具有的高模量、高强度等特征。要得到单片层的石墨烯可以通过还原GO来制备。
哥伦比亚大学的Lee等人[ ]利用原子力显微镜测量出单层石墨烯膜的本征弹性模量及其断裂强度:利用纳米印刷法在硅基板上外延得到具有孔型图案的二氧化硅层，使用光学显微镜找到了位于孔洞上方的石墨烯片层，通过原位拉曼光谱获得石墨烯的具体层数，固定石墨烯后，再利用原子力显微镜的探针对其力学性能进行测量表征。
1.1.3 石墨烯的热学性能
石墨烯是一种热学性质非常稳定的材料，这归功于石墨烯在纳米尺度上的微观的扭曲。由于非掺杂的石墨烯载流密度相对比较低因此电子对导热性（文德曼-夫兰兹定律）的影响可以忽略不计。加州大学的研究人员[ ]利用共焦显微拉曼光谱中G峰频率与激光能量的对应关系，测得硅/二氧化硅基板上的单层石墨烯的具体室温热导率。该热导率范围在(4.84±0.44)•103到(5.30±0.48)•103(W/m•K)，同时单独测量出了石墨烯G峰的温度系数。
上一篇：废旧聚氨酯硬泡改性生物沥青研究