石墨烯热学性能及表征技术

石墨烯热学性能及表征技术

王君梦1 ,冯荣欣1,张礼明2

河南省中原石化工程有限公司  河南省濮阳市  457000

河南清濮智慧化工科技有限公司  河南省濮阳市  457000

摘要：碳元素（C）是自然界中普遍存在的一种重要元素，它的电子轨道杂化（sp,sp2,sp3）杂化（sp,sp2,sp3)，这就导致了以碳作为唯一元素的同素异形体材料的各种形态。零维碳单质材料是由 Kroto等于1985年找到的。在这之后，第一个一维的碳单质碳奈米管被伊吉马在1991年发现。从那时起，碳材料一直是材料科学领域的一个热门课题。安德烈·吉姆和英国曼彻斯特大学的康斯坦丁·诺沃赛罗夫于2004年用一种简单的胶布剥离技术，得到了一种以sp2为单一原子的单晶碳单质石墨。石墨烯的基本构造包括：零维富勒烯、一维碳纳米管、3D石墨等。

关键词：石墨烯；热学性能；表征技术

一、石墨烯的结构与性能

石墨是一种具有独特的碳基化合物，它是一种具有六方点阵蜂窝状的苯环的碳单质碳基，它具有很好的稳定性。在一个完美的石墨体系中，每一个碳与邻近的碳原子都会有一个稳定的 signa键，而剩下的 p型电子，会沿着与石墨烯垂直的方向，在整个石墨烯的表面上，产生一个sp2型的p-键。正因为如此，它才具有了类似于金属的性质，并且具有极好的传导能力。这种单片的石墨烯，厚度仅为1个碳，大约0.335 nm，是迄今为止最轻的一种，它拥有许多其他的碳素都没有的优异性能。石墨内部的碳分子间存在着很少的相互作用，因此在外部作用下，大面积的表面会产生相应的弯曲，从而保证了其稳定。它是当今世上最坚固的材料，甚至超过了钻石。石墨烯是世界上最薄、最坚固的物质，它具有2630平方米/克的理论比表面，同时具有非凡的热传导能力3000W/（m. K）、机械特性1060 GPa，在室温下具有高的电子移动能力。石墨烯近乎全透明，仅能接受2.3%的光线。此外，该方法还具备非局部性、量子力学和双极电场等优良性能。

二、石墨烯的制备方法

石墨烯最初的制造是通过力学剥离技术进行的，近年来，石墨烯的生产工艺得到了改进，希望可以大规模生产出层数可控、面积大、质量好、成本低的高质量石墨烯。当前，生产石墨烯的方法包括机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法、氧化还原法等。图3对上述制造工艺进行了综合的对比，它们的技术优势在表格1中被进行了比较，这里就不在这里详细说明了。

三、氧化石墨烯的各种表征

1.氧化石墨烯XRD表征

首先，把测试物料碾成粉，再把磨料倒进模具凹槽内，再用玻璃托把它压扁。在进行测量以前，它的表面要平整，这样可以进行特征分析。在石墨层中加入了氧原子，使其间隔变得更宽。在约26.4 o的绕射角度下，鱼鳞状石墨具有较高的结晶度，表明其结晶强度较高。根据布拉格方程的推导，得到了D002的石墨层间隔为0.334 nm的数值。而在氧化石墨烯中，26.4 o石墨的特征峰全部消失，并且沿10.8°（2）方向运动，对应的层距为0.8017 nm，显著地比自然的鱼鳞状石墨更大，表明该材料已经得到了化学剥落。此外，发现其衍射峰值明显大于石墨，表明其晶体结构明显小于初始石墨。从上述结果来看，有可能研制出了一种新型的氧化性石墨烯。

2.氧化石墨烯XPS表征

首先将样品研磨为粉末，将其均匀地撒在薄片上，再用一片铝片包住，用水力压扁，再用剪子把它剪断，再把它切下来进行试验。X-射线光电子能谱是一种非常好的测量手段，它可以很好地反映出石墨表面的各种功能基基团。结果显示：284.4 eV有一个C-C键特征峰，286.1 eV有一个C-O键特征峰，288.1 eV有一个 C= O的双键特征峰，285.6 eV有一个C-OH的特征峰。结果表明：在氧化态的表面，存在着大量的氧功能基团。

四、石墨烯的前沿应用

1.高性能石墨烯复合材料

复合材料是一种新的材料，它是用两种或两种以上的物质，经物理或化学的手段，在宏观和微观层面上构成。通过对复合材料的研究，发现了与材料的特性相辅相成，从而改善了复合材料的整体力学特性，从而达到多种用途。由于其优越的物理化学性质，特别是机械性质，可以大大提高所述复合材料的物理性能，尤其是对复合材料的增韧基底的强化效果尤为明显。通过将石墨烯制成复合材料，陶瓷、水泥、金属以及聚合物等常规材料的物理特性得到了明显改善。在陶瓷基材中添加了石墨烯，可以极大地改善其力学特性，尤其是提高了材料的抗折强度。这是因为石墨烯在陶瓷材料中具有良好的晶粒、形成更紧密的组织和抑制陶瓷材料的裂缝蔓延等方面的作用。通过将石墨烯薄板导入到金属基质中，可以极大地改善其物理性质。

众所周知，金属的热学性能和电学性能都非常优秀，所以在引进了石墨烯之后，他们并不想放弃它的优点。但有了实验证明，石墨烯的加入并没有对金属基材的导热和电子特性产生任何的干扰。目前，在铝基、镍基、铜等领域都有一些新的研究成果。而石墨烯也经常用于高分子材料的强化。一般认为，通过对其进行修饰和降低，能够在聚合物基质中生成奈米级的分子结构，提高其拉伸强度、断裂伸长率、硬度等力学特性。石墨高分子复合材料具有高的表面和优异的机械强度。在进行了许多的探索和研究后，我们得出了具有良好的结构和功能性的系统。结果显示，该石墨薄板具有130 GPa左右的本征性能和1.0 TPa (AFM的纳米压工艺）。Gudarzi研究团队成功地实现了在分子层面上的扩散，他们在石墨含量只有2%的情况下，其模数和硬度都提高了522%，而其强度则提高了242%。因此，在提高高分子材料机械性质的过程中，石墨烯片具有很好的应用前景。

高性能石墨复合材料的问世，为今后发展轻型、高强度飞机的发展奠定了坚实的基础，其使用不但使飞机的重量大大下降，而且大大提高了飞机的机械性能和防锈性，具有广阔的发展空间。

2.石墨烯环境净化材料

石墨烯作为一种新型的吸附材料，因其在空气净化、污水处理、脱盐等方面有着广泛的发展潜力。石墨烯具有良好的疏水率和良好的吸附性能。和石墨烯不一样，其含有丰富的氧，能与金属离子进行高效的化学反应，对重金属的吸附力要好得多。石墨烯的孔结构可以调节其对水、气体和离子的选择性和选择性。通过与金属氧化物、生物材料等材料的结合，可以获得较高的吸附性能。并能利用载体对有机物进行高效的降解。另外，三维石墨烯技术在污水治理和脱盐方面的应用也受到了广泛的重视。由于其制备容易，孔隙率高，且具有较高的吸附能力，可以有效地解决石墨烯、石墨烯等材料在吸附过程中易团聚、不易分离以及残留的纳米生物毒性等问题。另外，由于三维石墨烯的多孔、低密度、疏水性等特点，它在处理石油污染方面表现出了良好的前景。

3.石墨烯储能电极材料

在日常使用中，锂离子电池被用作各种便携设备，节能灯和车辆电源。随着电子产品的迅速发展，人们对锂离子电池的需求也在不断增加。在努力减少生产费用的前提下，为了提高传统的锂电池的能量密度，安全性和耐久性，科学家们一直在致力于改进。利用石墨烯掺入的材料具有优良的导电性、大的表面、化学稳定性等优点，将会代替石墨作为正极材料。

超电容又是一种新型的储能器件，其优点是容量大，寿命长，电荷传送速度快，维修费用少。但是在能量存储上，它还远远落后于锂离子和燃油，因此，研制具有高能量存储特性的超级电容是非常有意义的。目前已知的是，超电容的核心在于电极的材质，它必须具备大比表面积和良好的导电特性。但由于其特殊的结构特征，使得其具有很多优良的性能，例如导电性、比表面积、比强度等，因此能够很好地适应这种特殊的电学性能。

结束语

石墨烯因其特殊的构造和优良的特性而受到人们的广泛重视。它具有轻量化、高强度、高导热、高导热等优点，可以应用于超轻、超轻、超韧性的防弹衣、各种先进的电子元件、以及与生物制药有关的领域，以及未来的航天升降机。但是，要早日将其工业化并为人类所利用，就必须要大量生产出具有可控形态的、无缺陷的高品质石墨烯，这是目前困扰着我们的一个重要问题，也是我们材料界的一个重要课题。

参考文献

[1]冯霖. 聚苯胺/氧化石墨烯改性棉织物及性能表征[J]. 上海纺织科技, 2022, 50(11):5.

[2]何威, 许吉航, 焦志男. 少层石墨烯对水泥净浆流动性能及力学性能的影响[J]. 复合材料学报, 2022, 39(11):13.