石墨烯的制备及其在聚合物复合材料中的应用

石墨烯的制备及其在聚合物复合材料中的应用

一、本文概述

1、石墨烯的简介：定义、特性及重要性

石墨烯，这个在21世纪初被科学家首次成功分离出来的二维纳米材

料，一经问世便引起了全球科研人员的广泛关注。它是一种由碳原子

以sp2杂化轨道组成的六角形呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，具有单

层原子厚度的二维晶体。这种独特的结构赋予了石墨烯一系列非凡的

物理和化学特性。

石墨烯是世界上最薄、最坚硬的纳米材料，其强度比钢铁还要高，却

又拥有极佳的柔韧性，可以弯曲。石墨烯的导电性、导热性都极为出

色，被认为是理想的导电和导热材料。这些特性使得石墨烯在电子、

能源、生物医学、航空航天等领域具有广泛的应用前景。

然而，石墨烯的重要性并不仅仅在于其本身的特性，更在于它作为一

种基础材料，可以与其他材料结合，制备出性能更为优异的复合材料。

特别是在聚合物复合材料领域，石墨烯的加入可以显著提高聚合物的

力学性能、电学性能、热学性能等，为聚合物复合材料的发展开辟了

新的道路。因此，研究和开发石墨烯的制备方法及其在聚合物复合材

料中的应用，对于推动新材料科学和技术的发展，具有重大的理论意

义和实际应用价值。

2、石墨烯与聚合物复合材料的结合：意义与前景

石墨烯与聚合物复合材料的结合，不仅是对材料科学领域的一次重大

突破，更是对未来工业发展产生深远影响的关键技术。这种结合的意

义在于，它充分融合了石墨烯优异的物理性能和聚合物良好的加工性

能，从而创造出一种全新的高性能复合材料。

石墨烯的超高强度、超高导电性、超高导热性以及优异的化学稳定性

等特性，使得它在增强聚合物材料的力学性能、电学性能、热学性能

等方面具有巨大的潜力。而聚合物则以其良好的加工性、成型性、稳

定性等优点，为石墨烯的应用提供了广阔的平台。通过将石墨烯与聚

合物相结合，我们可以制备出既具有石墨烯独特性能，又保持聚合物

优良加工性能的复合材料，从而极大地拓宽了材料的应用领域。

在前景方面，石墨烯与聚合物复合材料的结合将有望引领一场材料科

学的革命。随着科技的不断进步，对材料性能的要求也越来越高。石

墨烯与聚合物复合材料的出现，正好满足了这一需求。它可以在航空

航天、汽车制造、电子信息、生物医疗等领域发挥重要作用，例如用

于制造轻质高强度的飞机零部件、高效导电的电子设备、生物相容性

好的医疗器械等。

随着制备技术的不断发展，石墨烯与聚合物复合材料的成本也有望逐

渐降低，从而使其在大规模工业生产中得到广泛应用。可以预见，未

来的材料科学领域，石墨烯与聚合物复合材料的结合将成为一种重要

的研究方向，为人类社会的发展进步贡献巨大的力量。

二、石墨烯的制备方法

1、机械剥离法

机械剥离法是最早用于制备石墨烯的方法之一，其基本原理是利用物

体与石墨烯之间的摩擦和相对运动，从较大的石墨晶体上剥离出单层

或多层的石墨烯片,。这种方法最早由英国曼彻斯特大学的物理学家安

德烈•海姆(AndreGeim)和康斯坦丁•'若沃肖洛夫(Konstantin

Novoselov)在2004年成功实现，并因此获得了2010年的诺贝尔物

理学奖。

机械剥离法的操作相对简单，不需要复杂的设备和高昂的成本。在实

验中，研究者通常使用高粘性的胶带反复粘贴石墨表面，通过不断地

撕拉，将石墨层逐渐减薄，最终得到单层或多层的石墨烯片。这种方

法制备的石墨烯质量较高，结构完整，是研究石墨烯基本性质和应用

的重要工具。

然而，机械剥离法的产率极低，制备的石墨烯尺寸难以控制，且无法

压力、气体流量等，可以实现对石墨烯层数、尺寸和结构的精确控制。

CVD法还可以与其他技术相结合，如等离子增强化学气相沉积(PECVD)

和激光化学气相沉积(LCVD),以进一步提高石墨烯的质量和产量。

在聚合物复合材料的应用中，CVD法制备的石墨烯因其高质量、大面

积和可控制性而受到青睐。石墨烯与聚合物之间的相互作用可以逋过

共价键合、非共价键合或物理掺杂等方式实现。石墨烯的加入可以提

高聚合物的导电性、热稳定性和机械性能，为制备高性能、多功能的

聚合物复合材料提供了有效途径。

然而，CVD法制备石墨烯也存在一些挑战，如设备成本高、制备过程

能耗大以及金属基底与石墨烯之间的界面问题等。因此，在实际应用

中，需要综合考虑石墨烯的制备方法、性能及其在聚合物复合材料中

的应用需求，以实现最佳的制备效果和性能提升.

3、氧化还原法

氧化还原法是制备石墨烯的另一种常用方法。这一方法主要基于通过

氧化还原反应从石墨氧化物中剥离石墨烯片层。其基本原理是将石墨

氧化物在强还原剂的作用下进行还原，以去除表面的含氧官能团，从

而得到石墨烯。常用的还原剂包括水合朋、氢气、乙醇等。

在氧化还原法制备石墨烯的过程中，首先需要制备石墨氧化物。这通

常通过石墨与强酸（如硫酸、硝酸等）和强氧化剂（如高锌酸钾）的

反应实现。制备得到的石墨氧化物含有大量的含氧官能团，如羟基、

竣基和环氧基等，这些官能团的存在使得石墨氧化物的层间距增大，

有利于后续的剥离过程。

然后，将得到的石墨氧化物与还原剂进行反应，以去除表面的含氧官

能团。这一过程中，还原剂与含氧官能团发生氧化还原反应，生成气

体或液体产物，从而剥离出石墨烯片层。还原后的石墨烯具有较好的

导电性和稳定性，可以广泛应用于各种领域。

氧化还原法制备石墨烯具有产量大、成本低、工艺简单等优点，因此

在工业生产中得到广泛应用。然而，该方法制备的石墨烯片层尺寸分

布较宽，且易产生缺陷和杂质，这在一定程度上影响了其性能和应用。

在聚合物复合材料中，氧化还原法制备的石墨烯可以作为增强剂使用。

其高导电性、高热稳定性和大比表面积等特性使得石墨烯能够显著提

高聚合物的电学、热学和力学性能。通过适当的表面处理和分散技术，

可以将石墨烯均匀地分散在聚合物基体中，从而制备出性能优异的石

墨烯/聚合物复合材料飞这些复合材料在导电、电磁屏敝、传感器、

储能等领域具有广泛的应用前景。

4、其他制备方法简介

除了上述常见的石墨烯制备方法外，还有一些新兴或特定的制备技术,

它们在石墨烯的生产中扮演着重要角色。

化学气相沉积法是一种在特定条件下，通过气态反应物质在加热的固

体表面上进行化学反应，从而生成固态物质并沉积在其上的方法。在

石墨烯的制备中，CVD法通常使用含碳有机气体作为碳源，在高温下

通过催化剂的作用，使碳原子在基底上重新排列形成石墨烯。这种方

法可以制备大面积、高质量的石墨烯，且生产效率高，因此在工业生

产中有广泛应用。

氧化还原法是利用化学还原剂将氧化石墨［GO)还原为石墨烯的方法。

这种方法通常使用如氢碘酸、水合肺等强还原剂，通过化学反应将

GO中的氧原子去除，从而恢复石墨烯的共貌结构。氧化还原法制备

的石墨烯具有成本低、产量大的优点，但所得石墨烯的质量可能受到

还原不完全、结构缺陷等因素的影响。

切割碳纳米管法是一种通过物理或化学方法将碳纳米管(CNTs)切割

成短片段，从而得到石墨烯的方法。由于CNTs本身就具有类似石墨

烯的二维结构，因此通过切割可以得到具有石墨烯特性的纳米片。这

种方法制备的石墨烯片尺寸小、分布均匀，但制备过程相对复杂，成

本较高。

剥离法是一种通过物理或化学手段从大块石墨材料中剥离出单层或

多层石墨烯的方法。这种方法可以制备出高质量、大尺寸的石墨烯，

但操作难度大，产量有限。

随着科学技术的不断发展，石墨烯的制备方法也在不断创新和完善。

这些新兴制备方法不仅丰富了石墨烯的制备手段，也为石墨烯在聚合

物复合材料等领域的应用提供了更多可能性。

三、石墨烯在聚合物复合材料中的应用

1、提高聚合物性能：力学性能、热学性能、电学性能等

石墨烯，作为一种新型的二维纳米材料，因其独特的物理和化学性质，

在材料科学领域引起了广泛关注。当石墨烯与聚合物结合形成复合材

料时，能够显著提高聚合物的多种性能，包括力学性能、热学性能和

电学性能等。

在力学性能方面，石墨烯的高强度和高模量使其成为增强聚合物的理

想选择。当石墨烯纳米片均匀分散在聚合物基体中时，可以形成有效

的应力传递网络，显著提高复合材料的拉伸强度、模量和韧性。石墨

烯的二维结构和大比表面积也使其在增强聚合物的界面结合方面展

现出优势，进一步增强复合材料的力学性能。

在热学性能方面，石墨烯的高导热性使其成为提高聚合物热稳定性的

有效添加剂。石墨烯的加入可以显著提高聚合物的热导率，降低其热

膨胀系数，并提高其热稳定性。这对于需要承受高温或极端热环境的

聚合物复合材料应用尤为重要。

在电学性能方面，石墨烯的优异导电性使其成为改善聚合物导电性能

的理想填料。石墨烯的加入可以显著提高聚合物的导电性能，使其从

绝缘体转变为导体。这种导电性能的改善使得聚合物复合材料在电子

器件、电磁屏蔽、传感器等领域具有广泛的应用前景。

石墨烯的加入可以显著提高聚合物的力学性能、热学性能和电学性能,

为其在各个领域的应用提供了广阔的可能性。随着石墨烯制备技术的

不断发展和优化，相信其在聚合物复合材料领域的应用将会更加广泛

和深入。

2、功能化应用：导电、导热、电磁屏蔽、传感器等

石墨烯，作为一种二维碳纳米材料，拥有卓越的物理和化学性质，如

高电导率、高热导率、优良的力学性能和大的比表面积等，这使得石

墨烯在功能化应用中展现出巨大的潜力。尤其在聚合物复合材料领域,

石墨烯的功能化应用已成为研究的热点。

导电性：石墨烯因其独特的电子结构和极高的电导率，成为了提高聚

合物导电性能的理想添加剂。当石墨烯与聚合物复合时，石墨烯的导

电网络可以有效地提高聚合物的电导率，使其具备导电性能。这种导

电聚合物复合材料在电子器件、抗静电涂层、电磁屏蔽等领域有着广

泛的应用。

导热性：石墨烯的热导率极高，这使得它在提高聚合物导热性能方面

有着巨大的应用前景。当石墨烯与聚合物复合时，石墨烯可以形成一

个高效的导热网络，显著提高聚合物的导热性能。这种导热聚合物复

合材料在热管理、散热器件、热界面材料等领域有着潜在的应用价值。

电磁屏蔽：由于石墨烯的高电导率，石墨烯/聚合物复合材料在电磁

屏蔽领域也表现出良好的应用潜力。当电磁波入射到这种复合材料上

时，石墨烯的导电网络可以有效地吸收和反射电磁波，从而减少电磁

波的透过，达到电磁屏蔽的效果。这种复合材料在电磁环境保护、军

事隐身、电子设备防辐射等方面有着重要的应用。

传感器：石墨烯因其高灵敏度、快速响应和良好的稳定性，在传感器

领域具有广阔的应用前景。当石墨烯与聚合物复合时，可以制备出具

有高灵敏度、快速响应和低成本的传感器。这种传感器可以用于检测

气体、湿度、温度、压力等多种物理和化学量，为环境监测、医疗健

康、安全检测等领域提供有效的技术支持。

石墨烯在聚合物复合材料中的功能化应用具有广泛的前景和潜力。通

过深入研究石墨烯与聚合物的相互作用和复合机制，我们可以进一步

优化石墨烯/聚合物复合材料的性能，拓展其应用领域，为科技发展

和社会进步做出更大的贡献。

3、绿色环保应用：吸附污染物、光催化降解等

随着环保意识的日益加强，石墨烯在绿色环保领域的应用逐渐显现出

其巨大的潜力。石墨烯因其独特的二维结构、高比表面积和良好的化

学稳定性，使其成为一种理想的吸附剂，可用于吸附和去除水中的重

金属离子、有机污染物等。通过简单的化学修饰，石墨烯可以选择性

地吸附特定类型的污染物，实现高效的环境修复。

石墨烯的光催化性能也使其在环保领域具有广泛的应用前景。在光照

条件下，石墨烯可以吸收光能并产生光生电子和空穴，这些活性物种

可以进一步参与化学反应，如降解有机污染物、还原重金属离子等。

通过与其他半导体材料（如二氧化钛、氧化锌等）的复合，石墨烯的

光催化性能可以得到进一步提升，从而实现更高效的环境治理。

在聚合物复合材料中，石墨烯的引入不仅提高了材料的力学性能，还

赋予了材料绿色环保的功能。例如，将石墨烯添加到聚合物膜中，可

以显著提高膜对污染物的吸附能力，从而实现水体的净化。利用石墨

烯的光催化性能，还可以实现聚合物复合材料在光照条件下的自清洁

功能，有效去除材料表面的污渍和污染物。

石墨烯在绿色环保领域的应用具有广阔的前景和巨大的潜力。通过深

入研究石墨烯的吸附和光催化性能，可以开发出更多高效、环保的石

墨烯基复合材料，为环境保护和可持续发展做出重要贡献。

四、石墨烯聚合物复合材料的制备工艺

1、溶液共混法

溶液共混法是一种广泛应用的石墨烯与聚合物复合材料制备技术。这

种方法的核心步骤是将石墨烯粉末或石墨烯溶液与聚合物溶液在合

适的溶剂中混合，然后利用搅拌、超声波或加热等方法使两者充分混

合，再通过蒸发溶剂或热处理等方法得到石墨烯/聚合物复合材料。

溶液共混法的优点在于操作简单、成本低廉，并且可以实现石墨烯在

聚合物基体中的均匀分散。通过调整溶液的浓度、搅拌速度和时间等

参数，可以精确控制石墨烯在聚合物中的含量和分布，从而优化复合

材料的性能。

然而，溶液共混法也存在一些挑战。例如，选择合适的溶剂是一个关

键问题，因为石墨烯和聚合物可能对溶剂的选择性不同，需要找到既

能溶解聚合物又能分散石墨烯的溶剂。溶剂的挥发和回收也可能带来

环保和成本问题。

尽管如此，溶液共混法仍然是一种非常有前景的石墨烯/聚合物复合

材料制备方法。随着技术的不断进步和优化，这些问题有望得到解决,

使溶液共混法成为制备高性能石墨烯/聚合物复合材料的有效手段。

2、熔融共混法

熔融共混法是一种制备石墨烯/聚合物复合材料的常用方法。该方法

通常在高温下，将石墨烯与熔融的聚合物直接混合，通过剪切力或搅

拌使石墨烯均匀分散在聚合物基体中。熔融共混法的优点在于操作简

单、工艺成熟，并且能够在工业生产中实现连续化生产。

在熔融共混过程中，石墨烯与聚合物之间的相互作用至关重要。为了

提高石墨烯的分散性和与聚合物的相容性，通常需要对石墨烯进行预

处理，如氧化、还原或功能化修饰。这些处理能够增加石墨烯表面的

活性基团，提高其与聚合物的界面结合力。

熔融共混法的另一个关键参数是熔融温度和混合时间。熔融温度的选

择应确保聚合物完全熔融，并且石墨烯能够均匀分散。同时，混合时

间也需适中，过长或过短的混合时间都可能导致石墨烯的团聚或分布

不均。

通过熔融共混法制备的石墨烯/聚合物复合材料通常具有良好的力学

性能和电学性能。石墨烯的高强度和高导电性能够有效提升复合材料

的力学性能和电导率。石墨烯的优异热稳定性和化学稳定性也使得复

合材料在高温和恶劣环境下表现出良好的稳定性。

然而，熔融共混法也存在一定的局限性。由于石墨烯与聚合物之间的

相容性较差，熔融共混法制备的复合材料中石墨烯的分散性往往不够

理想。熔融共混过程中可能产生的热氧化和热降解也可能影响复合材

料的性能。

熔融共混法是一种有效的制备石墨烯/聚合物复合材料的方法，但需

要关注石墨烯的分散性和与聚合物的相容性问题。通过优化制备工艺

和石墨烯的预处理，可以进一步提高复合材料的性能和应用范围。

3、原位聚合法

原位聚合法是一种将石墨烯与聚合物基体在聚合反应过程中直接结

合的方法。这种方法的关键在于石墨烯在聚合反应过程中起到了催化

剂或引发剂的作用，使得聚合物链在石墨烯的表面或附近原位生成。

这种方法的优点在于石墨烯与聚合物之间的结合更为紧密，形成的复

合材料具有更好的力学性能和电性能。

在原位聚合法中，石墨烯的引入方式多种多样。一种常见的方法是将

石墨烯分散在聚合物的单体溶液中，然后通过引发剂引发聚合反应，

使得聚合物链在石墨烯的表面生长。这样，石墨烯就能够均匀地分散

在聚合物基体中，形成石墨烯/聚合物复合材料。还可以通过在石墨

烯表面接枝引发剂，使得聚合反应直接在石墨烯的表面开始，从而进

一步增强石墨烯与聚合物之间的相互作用。

原位聚合法制备的石墨烯/聚合物复合材料具有许多优异的性能。由

于石墨烯的高导电性和高机械强度，复合材料的电性能和力学性能都

得到了显著的提升。由于石墨烯在聚合物基体中的均匀分散，复合材

料的热稳定性和化学稳定性也得到了提高。原位聚合法还可以制备出

具有特殊功能的石墨烯/聚合物复合材料•，如导电复合材料、电磁屏

蔽复合材料等。

然而，原位聚合法也存在一些挑战和限制。聚合反应的条件需要严格

控制，以确保石墨烯的稳定性和均匀分散。石墨烯的引入可能会对聚

合反应的速率和程度产生影响，因此需要对聚合反应的动力学进行深

入研究。原位聚合法制备的石墨烯/聚合物复合材料的性能受到石墨

烯的制备方法和引入方式的影响，因此需要进一步优化制备工艺V

原位聚合法是一种制备石墨烯/聚合物复合材料的有效方法，可以制

备出具有优异性能的石墨烯/聚合物复合材料。然而，该方法仍需要

进一步的优化和改进，以满足不同应用领域的需求。未来，随着石墨

烯制备技术的不断发展和完善，原位聚合法在石墨烯/聚合物复合材

料制备中的应用将会更加广泛和深入。

4、其他制备工艺简介

除了上述的制备方法外，石墨烯的制备还有多种其他工艺，每种工艺

都有其独特的优势和适用场景。

化学气相沉积法（CVD）是一种在气态环境中，通过化学反应在固体

表面沉积薄膜的技术。这种方法可以在大面积上制备高质量的石墨烯,

而且可以通过控制反应条件来调控石墨烯的层数和性质。然而，CVD

法制备石墨烯需要高温和真空环境，设备成木高，操作复杂。

氧化还原法是一种通过化学方法将石墨氧化成石墨氧化物，再通过还

原反应将其还原成石墨烯的方法。这种方法制备的石墨烯层数可控，

但制备过程中可能引入大量的缺陷，影响石墨烯的性能。这种方法还

涉及到大量的化学试剂，可能对环境造成污染。

切割碳纳米管法是一种利用碳纳米管作为原料，通过切割或剥离的方

式制备石墨烯的方法°这种方法制备的石墨烯具有较高的结晶度和纯

度，但碳纳米管的来源有限，成本较高。

溶液剥离法是一种利用溶剂与石墨烯之间的相互作用，将石墨烯从石

墨中剥离出来的方法。这种方法操作简便，可以在室温下进行，但制

备的石墨烯尺寸和层数分布较宽，难以控制。

这些制备工艺各有优缺点，需要根据具体的应用需求来选择合适的方

法。未来，随着科学技术的进步，石墨烯的制备方法将不断完善和优

化，为石墨烯在聚合物复合材料等领域的应用提供更大的可能性。

五、石墨烯在聚合物复合材料应用中的挑战与前景

1、挑战：成本、分散性、稳定性等问题

尽管石墨烯拥有无与伦比的物理和化学性质，但其在聚合物复合材料

中的广泛应用仍面临一系列挑战。首当其冲的便是成本问题。目前，

石墨烯的大规模制备仍然需要高昂的设备投入和复杂的工艺流程，导

致其市场价格居高不下，限制了其在许多商'也应用中的普及。

除了成本，石墨烯在聚合物中的分散性也是一个亟待解决的问题。由

于石墨烯片层间的强相互作用，使得其在聚合物基体中难以均匀分散,

容易造成团聚现象。这不仅影响了复合材料的性能，还可能导致材料

的不均匀性。

石墨烯与聚合物之I可的界面稳定性也是一个关键挑战。由于石墨烯与

聚合物的化学性质差异较大，两者之间的界面相容性往往较差，这可

能导致复合材料在长期使用过程中发生界面脱粘、性能下降等问题。

因此，如何在保证石墨烯性能的降低其制备成本、提高其在聚合物中

的分散性和界面稳定性，是当前石墨烯复合材料研究领域的重要课题。

未来，随着科学技术的不断进步，相信这些问题将逐渐得到解决，石

墨烯在聚合物复合材料中的应用也将迎来更加广阔的前景。

2、前景：新型功能材料、绿色环保材料等领域

随着科技的不断进步和全球对环境保护意识的日益增强，石墨烯作为

一种新型的功能材料和绿色环保材料，其应用前景十分广阔。

在新型功能材料领域，石墨烯以其独特的物理和化学性质，如高导电

性、高热导率、高强度和良好的化学稳定性等，为众多领域带来了革

命性的变革。例如，在电子器件领域，石墨烯的高导电性和高热导率

使其成为制造高性能芯片、传感器和散热设备的理想材料P在能源领

域，石墨烯的大比表面积和高电导率使其成为超级电容器、锂离子电

池等储能设备的理想电极材料。石墨烯在光电子器件、生物医学、航

空航天等领域也有着广泛的应用前景。

在绿色环保材料领域，石墨烯同样展现出了巨大的潜力。由于其良好

的化学稳定性和可降解性，石墨烯可以作为环保涂料、环保塑料等产

品的添加剂，提高产品的性能并降低对环境的污染U石墨烯还可以用

于制造高效的太阳能电池、燃料电池等清洁能源设备，推动新能源领

域的发展。

石墨烯作为一种新型的功能材料和绿色环保材料，在新型功能材料和

绿色环保材料等领域具有广阔的应用前景。随着制备技术的不断发展

和完善，相信石墨烯将会在更多领域展现出其独特的优势和价值。

六、结论

此大纲涵盖了石墨烯的制备方法、在聚合物复合材料中的应用、制备

工艺以及所面临的挑战与前景等方面，旨在全面展示石墨烯在聚合物

复合材料领域的研究现状和发展趋势。

1、石墨烯在聚合物复合材料中的重要作用

石墨烯在聚合物复合材料中发挥着重要作用，其独特的物理和化学性

质使得它成为增强聚合物性能的理想选择。石墨烯具有出色的电学性

能，其高导电性可以显著改善聚合物复合材料的电导率，从而扩展了

它们在电子器件、传感器和电磁屏蔽等领域的应用。石墨烯的优异力

学性能，如高强度和高模量，可以显著提高聚合物复合材料的机械强

度、刚度和耐磨性。这些特性使得聚合物复合材料在航空航天、汽车

制造、体育器材等高强度要求的领域具有广泛的应用前景。

石墨烯还具有出色的热学性能，如高热导率，这有助于改善聚合物复

合材料的热稳定性和耐热性。这对于需要承受高温环境的聚合物复合

材料应用，如热防护材料、电子封装材料等，具有重要意义。石墨烯

的大比表面积和良好的化学稳定性使得它成为理