石墨烯复合材料研究进展
华北理工大学材料科学与工程学院，河北 唐山 063009
摘要：近年来石墨烯因其优良的力学、电学、热学和光学等特性, 且添加到基体材料中可以提高复合材料的性能，拓展其功能，因此石墨烯复合材料的制备成为研究热点之一。本文介绍了国内外对石墨烯复合材料的研究，对石墨烯复合材料的研究进展及现状进行了详细的介绍，并对石墨烯复合材料的发展趋势进行了展望。
关键词：石墨烯；复合材料；研究进展
一、引言
石墨烯因其优异的物理性能和可修饰性, 受到国内外学者的广泛关注。石墨烯的杨氏模量高达1TPa、断裂强度高达130GPa，是目前已知的强度性能最高的材料，同时是目前发现电阻率最小的材料, 只有约10-8Ω·m；拥有很高的电子迁移率，且具有较高的导热系数。氧化石墨烯作为石墨烯的重要派生物，氧化石墨烯薄片在剪切力作用下很容易平行排列于复合材料中, 从而提高复合材料的性能。本文总结介绍了几种常见的石墨烯复合材料。
二、石墨烯复合材料
（1）石墨烯及氧化石墨烯复合材料膜
聚乙烯醇（PVA）结构中有非常多的羟基，因此其能与水相互溶解，溶解效果很好。GO和PVA都可以在溶液中形成均匀、稳定的分散体系。干燥成型后，GO在PVA中的分散可以达到分子水平，GO表面丰富的含氧官能团可以与PVA的羟基形成氢键，因此添加少量的GO可以显著提高复合材料的力学性能。
樊志敏[1]等制备出了氧化石墨烯纳米带/TPU复合膜。通过机械测试显示，当加入氧化石墨烯纳米带的量为2%时，复合薄膜的弹性模量和抗拉强度与不加氧化石墨烯纳米带的纯TPU薄膜相比都得到了非常大的提高，分别提高了160%和123%。
马国富[2]等人发现，在聚乙烯醇（PVA）和氧化石墨烯（GO）复合制备的得复合薄膜中，GO均匀的分散在PVA溶液中，PVA的羟基与GO表面的含氧基团发生相互作用复合而不分相。加入GO之后，大大提高了复合膜的热稳定性，当加入的GO量为3%时，纳米复合膜力学性能测试出现最大值，此时断裂伸长率也出现了最大值，这表明在此GO含量时复合膜有最佳性能；与不加GO的纯PVA膜相比，当加入的GO量为3%时，耐水性也大大地提高。因此表明，加入GO后的复合膜，其各种性能都有很大的提高。
（2）石墨烯及氧化石墨烯复合材料凝胶
Chen等[3]采用壳聚糖和氧化石墨烯通过自组装法成功制备出CS-GO水凝胶, 该水凝胶用于污水的净化表现出较高的污染物吸附能力, 这些污染物包括阳离子和阴离子染料以及重金属离子等。实验研究发现CS-GO水凝胶之所以对污水中的污染物具有吸附作用, 其主要原因是依靠水凝胶与离子染料之间的静电吸引作用。
Xu等[4]采用去离子水为凝结剂从还原氧化石墨烯 (rGO) 和纤维素的离子液体溶液中制得纤维素/GO复合水凝胶 (CGH)。实验结果表明，与纯纤维素水凝胶相比, CGH的机械强度和热稳定性显著提高。当GO的用量为0.5%时, 其杨氏模量提高4倍。
（3）石墨烯导电涂料
石墨烯是目前发现电阻率最小的材料, 只有约10-8Ω·m；且其拥有很高的电子迁移率。石墨烯除了具有优异的导电性能外, 机械性能、热性能等也表现优异, 是很好的导电涂料添加剂。
Lee等[5]先制备出热还原石墨烯 (FGO) , 在原位法合成水性聚氨酯涂料阶段加入石墨烯, 成功制备出FGO/WPU。0.5mm厚度涂膜的直流电导性由微型电流计来测定, 实验结果显示, 当石墨烯添加量为3%后材料的电导率提升了五个数量级, 而导电值域的添加量在2%, 此时WPU的内部可以形成均匀的导电网络。
三、总结展望
目前，GO复合材料的应用和研究已经成为研究的热点之一，原因是GO独特的结构和性能使其形成的复合材料在强度韧性、吸附分离等方面比起传统的材料具有明显的优势。但有关GO复合材料的结构和性能之间的关系还没有建立，产业化关键技术还没有掌握，GO复合材料的规模化、高效率及可重复使用的技术问题还没有解决，这些方面的产业化应用还需要做大量的研究工作。
参考文献
[1] 樊志敏, 郑玉婴, 曹宁宁，等. 氧化石墨烯纳米带/TPU复合材料薄膜制备及性能表征[J]. 功能材料, 2015, 46(3): 3105-3109.
[2] 马国富, 李佳佳, 彭辉，等. 层状聚乙烯醇/氧化石墨烯纳米复合膜的制备及性能研究[J]. 西北师范大学学报(自然科学版), 2013, (6): 63-67.
[3] CHEN Y, CHEN L, BAI H, et al. Graphene oxide-chitosan composite hydrogels as broad-spectrum adsorbents for water purification[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2013, 1 (6): 1992-2001.
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