石墨烯及其纳米复合材料发展

河北工业大学 材料科学与工程学院

石墨烯及其纳米复合材料发展概况

专业 金属材料

班级 材料116

学号 111899

姓名 李浩槊

2015年01月05日

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摘要

自从2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，石墨烯因其优异的力学、电学和热学性能已经成为备受瞩目的研究热点。 石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料 ，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/（m·K），高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2 /（V·s），又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板，甚至是太阳能电池。

石墨烯的结构非常稳定，石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。

但是，因为石墨烯片层之间存在很强的范德华力，导致其很容易堆积团聚，在一般溶剂中的分散性很差，所以其应用领域受到了限制。本文通过收集、查阅多篇有关石墨烯研究的论文，分析、整理了石墨烯及其纳米复合材料的制备技术发展及其应用的相关知识、理论。

关键词：石墨烯 纳米材料 制备 复合材料

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目录

第一部分.........................石墨烯的性质

第二部分........................石墨烯的制备方法

第三部分........................石墨烯的研究成果

第四部分........................石墨烯的应用前景

第五部分........................参考文献

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第一部分 石墨烯的性质 1、力学性质

石墨烯受到外部作用力时，碳原子面可以通过弯曲形变使其适应外力而不需重新排列，这种原子间的柔韧性连接可以有效的保持石墨烯结构的稳定。Lee等研究发现:世界上目前己知的强度最高的材料就是石墨烯。用金刚石探针对石墨烯施加作用力，研究表明，每1OOnm的石墨烯可以承受的最大压力达到2.9μm。 2、热学性质

石墨烯是一种稳定材料。导热系数高达5300 W/（m·K），高于碳纳米管和金刚石石墨烯的发现震撼了凝聚态物理的研究领域，打破了“在有限温度下，热力学涨落不允许任何二维晶体存在”的理论。这归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲，其表面有很多微小的起伏，自由悬浮的石墨烯表面存在褶皱，或边缘卷曲。这样看来，石墨烯的存在与理论并不矛盾。

图1.1石墨烯的原子结构和电子结构：(a)石墨烯翘曲成零维富勒烯，卷成一维碳纳米管或堆砌成三维的石墨，是构成其他石墨材料的基本单元；(b)非支撑单层石墨烯的能带结构[1]

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