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石墨烯负载纳米Fe3O4复合材料的摩擦学性能_乔玉林1_2_赵海朝1_臧艳1_张

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第30卷 第1期 无 机 材 料 学 报

Vol. 30

No. 1

2015年1月

Journal of Inorganic Materials Jan., 2015

收稿日期: 2014-04-14; 收到修改稿日期: 2014-06-24

基金项目: 国家自然科学基金(5105397); 北京市自然科学基金(3122031)

National Natural Science Foundations of China(5105397); Beijing Natural Science Foundations of China(3122031)

文章编号: 1000-324X(2015)01-0041-06 DOI: 10.15541/jim20140189

石墨烯负载纳米Fe 3O 4复合材料的摩擦学性能

乔玉林1, 2, 赵海朝1, 臧 艳1, 张 庆1

(1. 装甲兵工程学院 装备再制造国防科技重点实验室, 北京100072; 2. 装甲兵工程学院 机械产品再制造国家工

程研究中心, 北京100072)

摘 要: 采用液相超声直接剥离法制备了石墨烯负载纳米Fe 3O 4复合材料, 用SEM 、TEM 对其形貌进行了表征, 利用多功能往复摩擦磨损试验仪考察了石墨烯负载纳米Fe 3O 4复合材料在纯水中的摩擦磨损性能。通过SEM 、XPS 分别分析了磨痕表面的形貌、典型元素的化学状态, 初步探讨了石墨烯负载纳米Fe 3O 4复合材料在纯水中的润滑机理。结果表明: 纳米Fe 3O 4均匀分布于多层石墨烯片层表面和层间, 粒径为20~90 nm; 其作为纯水添加剂具有良好的减摩抗磨性能, 如试验载荷为10 N, 浓度为0.01wt%的石墨烯负载纳米Fe 3O 4复合材料水分散体系润滑时比纯水润滑的摩擦系数和磨损体积分别下降26.7%和35.4%, 这主要是由于复合材料在磨损表面形成了吸附膜、含石墨烯和纳米Fe 3O 4的边界润滑膜, 抑制了Fe 的氧化, 减轻了摩擦表面的磨损。 关 键 词: 石墨烯; Fe 3O 4; 复合材料; 摩擦学性能; 磨损机理 中图分类号: TQ174 文献标识码: A

Tribological Properties of Graphene-based Fe 3O 4 Nanocomposite Materials

QIAO Yu-Lin 1, 2, ZHAO Hai-Chao 1, ZANG Yan 1, ZHANG Qing 1

(1. National Key Laboratory of Remanufacturing, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China; 2. National Engineering Research Center for Mechanical Product Remanufacturing, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Abstract: Graphene-based Fe 3O 4 nanocomposite materials were prepared by the melthod of Liquid-phase Ul-trasonic Exfoliation. Morphologies of nanocomposite materials were characterized by means of SEM and TEM. Its tribological properties as a pure water additive were investigated using multi-functional reciprocating fric-tion and wear tester. The lubrication mechanism was discussed based on results of analyses of SEM, XPS. The results showed that the Fe 3O 4 nanoparticles with size of 20–90 nm were densely and randomly deposited on interlamination and surface of graphene sheets. The nanocomposite materials as a pure water additive ex-pressed good friction-reducing and antiwear performance. Compared with pure water, the graphene-based Fe 3O 4 nanocomposite can reduce the friction coefficient of 26.7% and the wear mass of 35.4% under condition of 10 N of load and 0.01wt% of concentration. The prosperity is attributed to the effect of adsorption mem-brane and boundary lubrication film containing graphene and Fe 3O 4 which inhibit oxidation of Fe and reduce wear on the frictional surface.

Key words: graphene; Fe 3O 4; composite material; tribological property; wear mechanism

网络出版时间:2015-02-09 16:58

网络出版地址:https://www.doczj.com/doc/4017113220.html,/kcms/detail/31.1363.TQ.20150209.1658.022.html

42 无机材料学报第30卷

石墨烯(Graphene)不仅具有优异的化学和热稳定性, 优越的电学、热学和力学性能以及超高的比表面积[1-3], 而且显示出优异的摩擦学性能。宋浩杰课题组[4-5]以石墨粉为原料, 采用改进的Hummers 方法制备了氧化石墨烯(GO), 并考察了其作为水基润滑剂的摩擦学性能, 发现GO能够显著提高水的减摩抗磨性能。Liu等[6]对比考察了氧化石墨烯和改性纳米金刚石颗粒作为水润滑添加剂的摩擦学性能, 发现层状结构的氧化石墨烯使陶瓷对偶的摩擦跑合期由纯水润滑时的2000 s缩短到250 s; 与改性纳米金刚石颗粒比较, 氧化石墨烯使陶瓷对偶的摩擦系数显著降低。崔庆生等[7]研究了在不同载荷作用下, 石墨烯和氧化石墨烯水分散体系的减摩抗磨性能, 发现在试验载荷范围内, 石墨烯和氧化石墨烯水分散体系的减摩抗磨性能均有明显改善, 如试验载荷15 N时, 石墨烯水分散体系的摩擦系数和磨损体积与纯水相比, 分别降低了22.0%和21.3%; 氧化石墨烯水分散体系的摩擦系数和磨损体积分别降低了45.0%和23.7%。

纳米材料科学与技术的发展促进了纳米粒子在润滑领域的基础研究和实际应用[8]。其中, 纳米Fe3O4具有磁性材料的特性, 纳米Fe3O4作为润滑油添加剂, 具有较好的减摩抗磨性能[9-10], 而作为水基润滑添加剂的研究还未见报道。另外, 纳米Fe3O4作为添加剂具有许多优点, 比如自密封性能良好、不发生泄漏、不产生污染等[11], 并且具有制备成本低、制备工艺简单、易于大规模工业化生产等特点。文献[12]将纳米粒子负载在石墨烯表面, 使其成为新型的石墨烯功能复合材料, 不仅丰富了二者原有的本征特性, 而且产生了协同效应, 并赋予其新的功能。本工作通过液相超声直接剥离法一步制备石墨烯负载纳米Fe3O4复合材料(GN/Fe3O4), 用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)、X射线能谱仪(EDX)分析了GN/Fe3O4的微观结构和元素组成, 在多功能往复摩擦磨损试验仪上考察石墨烯负载纳米Fe3O4复合材料作为纯水添加剂的摩擦学行为。

1 实验方法

1.1实验材料与制备方法

试验所用的原料有: 膨胀石墨, 工业级; 纳米Fe3O4粒子, 20~60 nm; 丙酮, 分析纯; 乙醇, 分析纯; 所有试验用水均为去离子水。

按比例称取膨胀石墨和纳米Fe3O4, 利用超声波材料乳化分散器将膨胀石墨和纳米Fe3O4均匀分散在纯水中, 然后放入超声波细胞粉碎机中进行超声剥离3 h, 其工作参数为: 功率50 W, 超声时间4 s, 间隔时间2 s。超声结束后, 静置3~5 min, 取下部黑色浑浊液体进行高速离心分离, 并用乙醇洗至中性, 最后在真空干燥箱中60℃烘干(≥24 h), 获得石墨烯负载纳米Fe3O4复合材料GN/Fe3O4。

1.2结构表征与性能测试

用扫描电镜(SEM)和场发射透射电子显微镜(TEM)观察GN/Fe3O4的微观形貌, 用X射线能谱仪(EDX)分析GN/Fe3O4的元素组成。在MFT-R4000型多功能往复摩擦磨损试验仪上考察GN/Fe3O4水分散体系的摩擦磨损性能, 用三维形貌仪测量下试样的磨损体积。减摩抗磨试验条件为: 频率 5 Hz, 摩擦行程10 mm, 试验时间10 min。所用上试样为φ6 mm的GCr15钢球, 硬度770 HV; 下试样为尺寸20 mm×20 mm×2.5 mm的45钢, 硬度为250~ 300 HV。试验结束后, 用环境扫描电镜(SEM)、X 射线光电子能谱仪(XPS)分别分析磨痕表面形貌和典型元素的化学状态。XPS分析时, 用Al-K 辐射(光电子能量为1486.6 eV), 束斑大小为400 μm, 通过能为100.0 eV, 步长为1.0 eV, 结合能测量精度为±0.05 eV。

2 结果与分析

2.1石墨烯负载纳米Fe3O4复合材料表征

图1(a)给出了液相超声直接剥离法制备的石墨烯的SEM形貌, 从图中可以看出, 石墨烯(GN)具有较规则的层状结构, 厚度不同, 片层的表面还有自然的皱褶和卷曲。图1(b)给出了GN/Fe3O4的SEM 形貌, 从图中可以看出, GN/Fe3O4负载的纳米Fe3O4在多层石墨烯表面和层间均匀分散。

图2给出了GN/Fe3O4的TEM照片、HRTEM 照片以及选区电子衍射图(SAED)。从图2(a)、(b)可以看出, 纳米Fe3O4粒子呈球状, 均匀分布在几乎透明的石墨烯层表面, 粒径在20~90 nm之间。图2(c)为高分辨透射电镜照片, 由DigitalMicrograph 软件对晶面面间距进行模拟计算, 晶格间距为0.48 nm和0.30 nm, 分别对应于Fe3O4的(111)晶面和(220)晶面, 还可以看到在纳米Fe3O4的四周包围着石墨烯纳米片, 这说明纳米Fe3O4与石墨烯相互交叠。图2(d)为GN/Fe3O4选区的电子衍射图, 这是一幅“点–环”弥散图形, “点”说明GN/Fe3O4为粉晶, 由衍射斑点组成的“弥散环”表明存在石墨烯[13]。

图3给出了GN/Fe3O4的EDX图谱, 可以看出,

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图 1 石墨烯(a)和GN/Fe 3O 4(b)的SEM 照片

Fig. 1 SEM images of graphene (a) and GN/Fe 3O 4 (b)

图 2 GN/Fe 3O 4复合材料的TEM 图像(a) (b)、HRTEM 图像(c)和SAED 图(d)

Fig. 2 TEM (a, b), HRTEM (c) images and SAED pattern (d) of GN/Fe 3O 4 composites

图 3 GN/Fe 3O 4复合材料的EDX 图谱

Fig. 3 EDX pattern of GN/Fe 3O 4 composites

测试样品含有C 、Fe 、O 和Cu 四种元素(Cu 元素来自于Cu 微栅薄膜), 这说明GN/Fe 3O 4只含有C 、Fe 和O 三种元素。通过计算, Fe/O 物质的量比为10.08:

15.18, 接近于2: 3(小于3: 4), 这可能是因为GN 含有含氧官能团, 增大了O 元素含量。

2.2 石墨烯负载纳米Fe 3O 4复合材料的摩擦学性能

图4给出了在试验载荷10 N 下, 纯水、浓度为0.01wt%的GN 和Fe 3O 4物理混合物(质量配比1︰1, 以下配比相同)水分散体系和GN/Fe 3O 4水分散体系的摩擦系数与试验时间的关系曲线。从图中可以看出: 与纯水润滑体系相比, GN 和Fe 3O 4物理混合物水分散体系与GN/Fe 3O 4水分散体系的摩擦系数均有不同程度降低, 这说明GN/Fe 3O 4、GN 和Fe 3O 4物理混合物均能改善纯水的减摩性能, 但GN/Fe 3O 4水分散体系的改善效果更好, 平均摩擦系数为0.335, 较纯水下降26.7%, 这也说明GN/Fe 3O 4不是GN 和Fe 3O 4的简单物理混合, 而是生成了一种新型复合材料。

图5给出了纯水、浓度为0.01wt%的GN 和Fe 3O 4物理混合物水分散体系和GN/Fe 3O 4水分散体系的平均摩擦系数和磨损体积随试验载荷变化的关系曲线。从图5(a)可以看出, 在试验载荷范围内, GN/Fe 3O 4水分散体系、GN 和Fe 3O 4物理混合物水分散体系的平均摩擦系数均小于纯水润滑体系的平均摩擦系数。这说明GN/Fe 3O 4、GN 和Fe 3O 4物理混合物均能提高纯水的减摩性能, 其中GN/Fe 3O 4的改善效果更佳。GN/Fe 3O 4水分散体系的平均摩擦系数随着试验载荷的增加呈现出先减小后增加的变化趋势, 即试验载荷为10 N 时, GN/Fe 3O 4水分散体系具有最小的摩擦系数0.335, 较纯水下降26.7%。从图5(b)可以看出, GN 和Fe 3O 4物理混合物水分散体系破坏了纯水的抗磨性能, 而GN/Fe 3O 4水分散体系改善了纯水的抗磨性能, 如在试验载荷10 N 时, 磨

损体积仅为3.37×106 μm 3, 较纯水体系下降35.4%。

图6给出了在试验载荷10 N 下, GN 和Fe 3O 4物理混合物水分散体系、GN/Fe 3O 4水分散体系的平均

图 4 摩擦系数与试验时间的关系曲线

Fig. 4 Friction coefficient with time

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图 5 摩擦系数(a)和磨损体积(b)与试验载荷的关系

Fig. 5 Change of friction coefficient (a) and wear mass (b) with load

图 6 摩擦系数(a)和磨损体积(b)与添加剂浓度的关系曲线

Fig. 6 Change of friction coefficient (a) and wear mass (b) with additive concentration

摩擦系数和磨损体积随浓度变化的关系曲线。从图6(a)可以看出, 在试验浓度范围内, GN/Fe 3O 4水分散体系、GN 和Fe 3O 4物理混合物水分散体系的平均摩擦系数随着添加剂浓度的增加呈现出先减小后增大的变化趋势, 即浓度达到0.01wt%时, GN/Fe 3O 4水分散体系、GN 和Fe 3O 4物理混合物水分散体系具有最小的摩擦系数(分别为0.335和0.371)。从图6(b)可以看出, GN 和Fe 3O 4物理混合物水分散体系的磨损体积随着添加剂浓度的增加而不断增加。而

GN/Fe 3O 4水分散体系的磨损体积却随着添加剂浓度的增加呈现出先减小后增大的变化趋势, 即浓度为0.01 wt%时, GN/Fe 3O 4水分散体系的磨损体积具有最小值。

2.3 磨痕表面分析

2.3.1 磨痕形貌分析

图7给出了纯水、GN 和Fe 3O 4物理混合物水分散体系、GN/Fe 3O 4水分散体系磨痕表面的SEM 照片。从图7(a)可以看出, 纯水体系的磨痕表面有严

图 7 不同润滑体系的磨痕表面的SEM 照片

Fig. 7 SEM images of the worn surface lubricated with different systems

(a) water; (b) GN and Fe 3O 4 (1: 1); (c) GN/Fe 3O 4

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乔玉林, 等: 石墨烯负载纳米Fe 3O 4复合材料的摩擦学性能 45

重的黏着和腐蚀凹坑, 其磨损机制应为粘着磨损和严重的腐蚀磨损; 从图7(b)可以看出, GN 和Fe 3O 4物理混合物水分散体系的磨痕表面存在与摩擦方向一致的较深犁沟和明显的腐蚀凹坑, 其磨损机制应为磨粒磨损但伴随较严重的腐蚀磨损; 从图7(c)可以看出, GN/Fe 3O 4水分散体系的磨痕表面较为平整, 存在较浅的犁沟和少量腐蚀凹坑, 其磨损机制应为典型的磨粒磨损但伴随轻微的腐蚀磨损。这进一步说明GN/Fe 3O 4比GN 和Fe 3O 4物理混合物可以更好地提高纯水的抗磨性。

2.3.2 磨痕表面元素组成分析及化学价态

图8给出了纯水润滑时磨痕表面主要元素的XPS 解叠图谱,

可以看出, 纯水润滑时磨痕表面未检测到C 元素, 这可能是由于磨痕表面C 元素含量很少, 背景噪音湮没了其信号(图8(a))。纯水润滑的磨痕表面O 元素主要以Fe 的氧化物形成存在, 电子结合能在530.00、530.25、530.52、531.45 eV 的物质分别归属于FeO 、Fe 2O 3、Fe 3O 4、FeO, 磨痕表面元素Fe 的电子结合能在706.72、707.62、709.34、710.47、711.08 eV 的物质分别归属于Fe 、Fe 3C 、FeO 、Fe 2O 3、Fe 3O 4, 其中Fe 和Fe 3C 源于45钢, 而FeO 、

Fe 2O 3、

Fe 3O 4为摩擦过程中Fe 发生氧化反应的生成物, 这与O1s 解叠谱峰结果相一致。根据Fe2p 谱峰

中各解叠峰的积分面积大小可估算磨痕表面Fe 、Fe 3C 、FeO 、Fe 2O 3、Fe 3O 4的相对含量的比例为9.9∶13.9∶23.1∶27.3∶25.8; Fe 不同价态物质的相对含量从大到小的排序为Fe 2O 3>Fe 3O 4>FeO >Fe 3C >Fe, 其中, 单质Fe 的含量为9.9%, Fe 2O 3的含量为23.1%。

图9给出了GN/Fe 3O 4水分散体系润滑时磨痕表面主要元素的XPS 解叠图谱。由图9(a)C1s 谱峰可知, 磨痕表面C 元素主要以单质或化合物形式存在。电子结合能在283.38、284.21、284.99、285.69、287.35、288.17 eV 的物质或化学键分别归属于HOPG 、Graphite 、C–C/C=C 、C–H 、C–O 、C=O, 其中C=C 与石墨烯最基本的化学键碳碳双键相对应[14], 而C–O 、C=O 键则可能是石墨烯氧化造成的。由于纯水润滑时磨痕表面没有发现C 元素(图8(a)), 而GN/Fe 3O 4水分散体系润滑时, 发现C 元素以不同价态存在于磨痕表面, 这说明磨痕表面的C 元素来源于GN/Fe 3O 4。从图9(b)和9(c)可以看出, O 元素的电子结合能在530.35、530.36、531.60、532.64 eV 的物质或化学键分别归属于FeOOH 、Fe 3O 4、C=O 、C–O, 电子结合能在706.83、708.57、709.67、

图 8 纯水润滑的磨痕表面特征元素的XPS 解叠谱

Fig. 8 Curved-fitted XPS spectra of the typical elements on the worn surface lubricated with water

图 9 GN/Fe 3O 4水分散体系润滑下磨痕表面特征元素的XPS 解叠谱

Fig. 9 Curved-fitted XPS spectra of the typical elements on the worn surface lubricated with GN/Fe 3O 4

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710.89、711.48 eV的Fe元素分别归属于Fe、Fe2O3、FeO、Fe3O4、FeOOH, 其中Fe源于45钢, Fe2O3、FeO、Fe3O4、FeOOH是摩擦过程中Fe发生氧化反应形成的, 而Fe3O4部分可能来源于GN/Fe3O4。根据Fe2p 谱峰中各解叠峰的积分面积大小可估算磨痕表面Fe、Fe2O3、FeO、Fe3O4、FeOOH的相对含量的比例为15.5∶17.5∶16.0∶29.9∶21.1; Fe不同价态物质的相对含量从大到小的排序为Fe3O4>FeOOH>Fe2O3>FeO>Fe, 单质Fe的相对含量约为15.5%。这一比值远大于纯水润滑时磨痕表面单质Fe的含量9.9%, 说明GN/Fe3O4的存在在一定程度上阻止了摩擦过程中单质Fe的氧化。另外, GN/Fe3O4水分散体系润滑时磨痕表面Fe2O3的含量为17.5%, 这一比值低于纯水润滑时磨痕表面的Fe2O3的含量23.1%, 进一步说明GN/Fe3O4存在于磨痕表面。

2.4磨损作用机理分析

从上述试验与分析可以看出, GN和Fe3O4物理混合物提高了纯水的减摩性能, 但降低了纯水的抗磨性能, 这可能是因为GN和Fe3O4物理混合物不能有效地在磨痕表面吸附或沉积而团聚形成颗粒, 加重了磨粒磨损。而GN/Fe3O4水分散体系同时改善了纯水的减摩抗磨性能, 并使其磨损机理发生转变, 这是由于在摩擦力反复作用下, 添加剂GN/Fe3O4能够在磨痕表面形成吸附膜, 并在磨痕表面发生摩擦化学反应, 生成边界润滑膜。磨损机理[15-16]可以概括如下: 当GN/Fe3O4添加到纯水中, 它进入并吸附或沉积在摩擦接触表面, 形成吸附膜; 在摩擦剪切力的作用下, 由于GN/Fe3O4中的多层石墨烯片层表面均匀负载了纳米Fe3O4, 层与层之间作用力减弱, 层与层之间发生分离, 并形成一层吸附膜; 在摩擦接触区的高温高热和压应力作用下, GN/Fe3O4与磨削或GN/Fe3O4与磨损表面发生摩擦化学反应, 生成含C、Fe和O等元素的边界润滑膜; 吸附膜、含石墨烯和纳米Fe3O4的边界润滑膜协同作用, 抑制Fe的氧化, 并使摩擦表面的磨损得到减轻。

3结论

1) 利用液相超声剥离法, 在纯水中使用膨胀石墨、Fe3O4纳米粒子为原料, 制备出石墨烯负载纳米Fe3O4复合材料, Fe3O4纳米粒子均匀地分布在多层石墨烯片层表面及层间, 其粒径约为20~90 nm。

2) 石墨烯负载纳米Fe3O4复合材料可以显著改善纯水的摩擦磨损性能。当试验载荷为10 N、石墨烯负载Fe3O4纳米粒子复合材料的浓度为0.01wt%时, 其摩擦磨损性能最佳, 与纯水润滑时相比, 平均摩擦系数和磨损体积分别下降26.7%和35.4%。

3) 石墨烯负载纳米Fe3O4复合材料使纯水的磨损机理由黏着磨损和严重的腐蚀磨损转变为以磨粒磨损为主, 但伴随轻微的腐蚀磨损。这是因为石墨烯负载纳米Fe3O4复合材料在磨损表面形成的吸附膜、含石墨烯和纳米Fe3O4的边界润滑膜间协产生同作用, 抑制了Fe的氧化, 减轻了摩擦表面的磨损。

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tion material. Journal of Inorganic Materials, 2011, 26(6): 638–642.

有机功能化石墨烯的制备及其应用

有机功能化石墨烯的制备及其应用 张丽园1,2 ,姚 远 2 (1.蚌埠学院应用化学与环境工程系,安徽蚌埠233000; 2.合肥工业大学化工学院,合肥230009) 摘要:石墨烯是一种新型的二维平面纳米材料,其所具有的单原子层结构使它拥有许多新奇的特性,从2004年被发现以来,引起了科学界的高度重视,目前已成为了材料学、物理学、化学等学科领域的研究热点。然而由于石墨烯易于团聚堆积成石墨,不能均匀的分散在基体中,这很大程度上限制了它的应用。为了将石墨烯与其它物质有效复合,充分发挥其在电子学、生物医学、催化、传感器、储能等领域的优良特性,对其进行功能化改性是有效的方法之一。着重介绍了石墨烯有机功能化制备方法及其应用的最新研究进展,并对石墨烯的功能化发展方向进行了展望。 关键词:石墨烯;氧化石墨;有机功能化;表面改性 中图分类号:O6-1文献标志码:A 文章编号:1671-380X (2012)08-0016-05Preparation and Application of Organo -Functionalized Graphene ZHANG Li -yuan 1,2 ,YAO Yuan 2 (1.Department of Chemistry and Environmental Engineering ,Bengbu College ,Bengbu 233000,China ; 2.School of Chemical Engineering Hefei University of Technology ,Hefei 230009,China ) Abstract :Graphene is a novel two -dimensional nanomaterial with a flat monolayer of carbon atoms structure ,which has contributed to its unique features.Since it had been discovered in 2004,the graphene has attracted a great deal of attention worldwide in the sciences ,and became the focus of the researches all over the world.How-ever ,the structure of the graphene has lots of limitations in the applications in compounding with other materials ,and restricted its wide usage.To materialize the prospect applications as much as possible in the field of electron-ics ,biomedicine ,catalysis ,sensors ,energy storage etc.The key is to ograno -functionalized graphene in a con-trolled way.This paper emphasized on some common preparations and the applications of organo -functionalized graphene.Besides ,the developing trend of organo -functionalizing of graphene was forecasted.Key words :Graphene ;Graphene Oxide ;Organic Functionalize ;Surface Modification 1 引言 石墨烯是一种新型的具有单原子层结构的二维 平面纳米材料,从2004年被发现以来,引起了科学界的高度重视,目前已成为了材料学、物理学、 化学等学科领域的研究热点[1] 。其独特的二维蜂窝状晶格结构,使其拥有许多新奇的特性,如:较高的杨氏模量( 1100GPa )、载流子迁移率(2?105cm 2/(V ·s ))、热导率( 5000J /(m ·K ·s ))和比表面积(理论值2630m 2/g ),还具有分数量子霍尔效应、量子霍尔铁磁性和激子带隙等 现象 [2] ,这些特性使得石墨烯在纳米电子学、纳 米复合物、氢气超级电容器等领域有着广泛潜在的 应用[3] ;其特有的单原子层结构和较大的表面积 的特性还可使其在生物医学方面得到应用[4] 。然而理想石墨烯易团聚堆积成石墨形态,并不利于与 其它物质进行复合,使其的应用受到了大幅限制。为了解决这个问题,石墨烯的有机功能化改性是非常有效的方法,极大地拓展了石墨烯的应用领域。基于材料化学的角度,对石墨烯的表面有机改性及其应用等方面进行简要的综述。 · 61·第34卷第8期2012年8月宜春学院学报 Journal of Yichun College Vol.34,No.8Aug.2012 * 收稿日期:2012-05-31 基金项目:安徽省高等学校自然科学基金(KJ2009B212Z )。 作者简介:张丽园(1980-),男,安徽凤阳人,博士生,主要从事绿色化学和材料学研究。

石墨烯聚乳酸复合材料

Preparation of Polylactide/Graphene Composites From Liquid-Phase Exfoliated Graphite Sheets Xianye Li,1Yinghong Xiao,2Anne Bergeret,3Marc Longerey,3Jianfei Che1 1Key Laboratory of Soft Chemistry and Functional Materials,Nanjing University of Science and Technology, Nanjing210094,China 2Jiangsu Collaborative Innovation Center of Biomedical Functional Materials,Jiangsu Key Laboratory of Biomedical Materials,College of Chemistry and Materials Science,Nanjing Normal University, Nanjing210046,China 3Materials Center,Ales School of Mines,30319Ales Cedex,France Polylactide(PLA)/graphene nanocomposites were pre-pared by a facile and low-cost method of solution-blending of PLA with liquid-phase exfoliated graphene using chloroform as a mutual solvent.Transmission electron microscopy(TEM)was used to observe the structure and morphology of the exfoliated graphene. The dispersion of graphene in PLA matrix was exam-ined by scanning electron microscope,X-ray diffrac-tion,and TEM.FTIR spectrum and the relatively low I D/I G ratio in Raman spectroscopy indicate that the structure of graphene sheets(GSs)is intact and can act as good reinforcement fillers in PLA matrix.Ther-mogravimetric analysis and dynamic mechanical analy-sis reveal that the addition of GSs greatly improves the thermal stability of PLA/GSs nanocomposites.More-over,tensile strength of PLA/GSs nanocomposites is much higher than that of PLA homopolymer,increasing from36.64(pure PLA)up to51.14MPa(PLA/GSs-1.0). https://www.doczj.com/doc/4017113220.html,POS.,35:396–403,2014.V C2013Society of Plastics Engineers INTRODUCTION Polylactide(PLA),a renewable,sustainable,biode-gradable,and eco-friendly thermoplastic polyester,has balanced properties of mechanical strength[1],thermal plasticity[2],and compostibility for short-term commod-ity applications[3,4].It is currently considered as a promising polymer for various end-use applications for disposable and degradable plastic products[5–8].Never-theless,improvement in thermal and mechanical proper-ties of PLA is still needed to pursue commercial success. To achieve high performance of PLA,many studies on PLA-based nanocomposites have been performed by incorporating nanoparticles,such as clays[9,10],carbon nanotubes[11–13],and hydroxyapatite[14].However, research on PLA-based nanocomposites containing gra-phene sheets(GSs)or graphite nanoplatelets has just started[15–17].GSs exhibit unique structural features and physical properties.It has been known that GSs have excellent mechanical strength(Young’s modulus of1,060 GPa)[18],electrical conductivity of104S/cm[19],high specific surface area of2,630m2/g[20],and thermal sta-bility[21].Polymer nanocomposites based on graphene show substantial property enhancement at much lower fil-ler loadings than polymer composites with conventional micron-scale fillers,such as glass[22]or carbon fibers [23],which ultimately results in lower filler ratio and simple processing.Moreover,the multifunctional property enhancement of nanocomposites may create new applica-tions of polymers. However,the incorporation of graphene into PLA matrix is restricted by cost and yield.Although the weak interactions that hold GSs together in graphite allow them to slide readily over each other,the numerous weak bonds make it difficult to separate GSs homogeneously in sol-vents and polymer matrices[24].Many methods have been reported for exfoliation of graphite,such as interca-lation with alkali metals[25]or oxidation in strong acidic conditions[26–29].Recently,exfoliation of graphite in liquid-phase was found to be able to give oxide-free GSs with high quality and yield at relatively low cost[30–35]. Correspondence to:Y.H.Xiao;e-mail:yhxiao@https://www.doczj.com/doc/4017113220.html, or J.F.Che; e-mail:xiaoche@https://www.doczj.com/doc/4017113220.html, Contract grant sponsor:Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China;contract grant number: 20123219110010;contract grant sponsor:Natural Science Foundation of Jiangsu Province of China;contract grant number:BK2012845;contract grant sponsors:Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions(PAPD),contract grant sponsor:Financial support for short visit from Ales School of Mines,France. DOI10.1002/pc.22673 Published online in Wiley Online Library(https://www.doczj.com/doc/4017113220.html,). V C2013Society of Plastics Engineers POLYMER COMPOSITES—2014

水热合成Fe2O3石墨烯纳米复合材料及其电化学性能研究

常熟理工学院学报(自然科学)Journal of Changshu Institute Technology (Natural Sciences )第26卷第10Vol.26No.102012年10月Oct.,2012 收稿日期:2012-09-05 作者简介:季红梅(1982—),女,江苏启东人,讲师,工学硕士,研究方向:无机功能材料.水热合成Fe 2O 3/石墨烯纳米 复合材料及其电化学性能研究 季红梅1,于湧涛2,王露1,王静1,杨刚1 (1.常熟理工学院化学与材料工程学院,江苏常熟215500;2.吉林石化公司研究院,吉林吉林132021) 摘要:利用水热法成功合成了Fe 2O 3/石墨烯(RGO )锂离子电池负极材料.导电性能良好的石墨烯网络起到连接导电性能极差的Fe 2O 3和集流体的作用.电化学性能测试表明,180℃下得到的 Fe 2O 3/RGO 具有良好的比容量和循环稳定性.在不同倍率充放电过程中,初始放电比容量为1023.6mAh/g (电流密度为40mA/g ),电流密度增加到800mA/g 时,放电比容量维持在406.6 mAh/g ,大于石墨的理论放电比容量~372mAh/g.在其他较高的电流密度下比容量均保持基本不变.该Fe 2O 3/RGO 有望成为高容量、低成本、低毒性的新一代锂离子电池负极材料.关键词:Fe 2O 3;石墨烯;负极材料中图分类号:TM911文献标识码:A 文章编号:1008-2794(2012)10-0055-05 自从P.Poizot [1]等报道过渡金属氧化物可以作为锂离子电池负极材料这一研究后,金属氧化物负极便逐渐引起人们的重视.铁的氧化物具有比容量大、倍率性能好和安全性能高等优点,且原料来源丰富、价格低廉、环境友好,因此是一类很有发展潜力的动力锂离子电池负极材料.Fe 2O 3作为一种常温下最稳定的铁氧化合物,理论容量为1005mAh/g ,远高于石墨类材料的理论比容量,已经成为锂离子电池负极材料的一个研究热点.近年来,石墨烯由于其高的电传导性,大的比表面积,良好的化学稳定性和柔韧性而被尝试用于与活性锂离子电池负极材料复合,提升材料的电化学性能.比如,Cui Y [2]课题组在溶剂热条件下两步法得到Mn 3O 4与石墨烯的复合材料,改善了Mn 3O 4的比容量和循环性能.Co 3O 4,Fe 3O 4等金属氧化物材料与石墨烯复合也有被研究,本课题组在石墨烯和金属氧化物材料复合方面也做了大量的工作[3].本文通过水热法一步合成Fe 2O 3/石墨烯纳米复合材料,并研究了其电化学性能,合成过程中采用三乙烯二胺提供反应的碱性环境,并控制Fe 2O 3的粒子生长.1 实验 1.1试剂和仪器 三乙烯二胺(C 6H 12N 2);无水三氯化铁(FeCl 3);石墨;硝酸钠(NaNO 3);浓硫酸(H 2SO 4);高锰酸钾(KMnO 4);双氧水(H 2O 2)和盐酸(HCl ),以上试剂均为分析纯.实验用水为去离子水.日本理学H-600型透射电子显微镜;日本理学D/max2200PC 型X 射线衍射仪;德国Bruker Vector 22红外光谱仪;日本JEOL-2000CX 透射电镜;美国Thermo Scientific Escalab 250Xi 光电子能谱仪;LAND 电池

石墨烯复合材料的研究及其应用

石墨烯复合材料的研究及其应用 任成,王小军,李永祥,王建龙,曹端林 摘要:石墨烯因其独特的结构和性能,成为物理化学和材料学界的研究热点。本文综述了石墨烯复合材料的结构和分类,主要包括石墨烯-纳米粒子复合材料、石墨烯-聚合物复合材料和石墨烯-碳基材料复合材料。并简述石墨烯复合材料在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。 关键词:石墨烯;复合材料;纳米粒子;含能材料 Research and Application of Graphene composites ABSTRACT: Graphene has recently attracted much interest in physics,chemistry and material field due to its unique structure and properties. This paper reviews the structure and classification of graphene composites, mainly inclouding graphene-nanoparticles composites, graphene-polymer composites and graphene-carbonmaterials composites. And resume the application of graphene composites in the field of catalysis, electrochemistry, biological medicine and energetic materials. Keywords: graphene; composites; nanoparticles; energetic materials 石墨烯自2004年曼彻斯特大学Geim[1-3]等成功制备出以来,因其独特的结构和性能,颇受物理化学和材料学界的重视。石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体,是包括富勒烯、碳纳米管、石墨在内的碳的同素异形体的基本组成单元。石墨烯的制备方法主要有机械剥离法,晶体外延法,化学气相沉积法,插层剥离法以及采用氧化石墨烯的高温脱氧和化学还原法等[4-10]。与碳纳米管类似,石墨烯很难作为单一原料生产某种产品,而主要是利用其突出特性与其它材料体系进行复合.从而获得具有优异性能的新型复合材料。而氧化石墨烯由于其特殊的性质和结构,使其成为制备石墨烯和石墨烯复合材料的理想前驱体。本文综述了石墨烯复合材料的结构、分类及其在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。

高分子_石墨烯纳米复合材料研究进展

高分子/石墨烯纳米复合材料研究进展 高秋菊1,夏绍灵1,2* ,邹文俊1,彭 进1,曹少魁2 (1.河南工业大学材料科学与工程学院,郑州 450001;2.郑州大学材料科学与工程学院,郑州 450052 )收稿:2012-01-09;修回:2012-04- 24;基金项目:郑州科技攻关项目(0910SGYG23258- 1);作者简介:高秋菊(1984—),女,硕士研究生,主要从事高分子复合材料的研究。E-mail:gaoqiuj u2008@yahoo.com.cn;*通讯联系人,Tel:0371-67758722;E-mail:shaoling _xia@haut.edu.cn. 摘要: 石墨烯以其优异的力学、光学、电学和热学性能,得到日益广泛的关注和研究。本文介绍了石墨烯的结构、性能和特点,并对石墨烯的改性方法进行了概括。本文着重综述了高分子/石墨烯纳米复合材料的研究现状和进展,并介绍了高分子/石墨烯纳米复合材料的三种制备方法,即原位插层聚合法、溶液插层法和熔融插层法。此外,还对高分子/石墨烯纳米复合材料的应用前景进行了展望,并对石墨烯复合材料研究存在的问题和未来的研究方向进行了讨论。 关键词:石墨烯;高分子;纳米复合材料;研究进展 引言 石墨烯是以sp2 杂化连接的碳原子层构成的二维材料, 其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”,被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具 有超高的强度,碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯比钻石还坚硬, 强度比世界上最好的钢铁还高100倍[1] 。石墨烯还具有特殊的电光热特性, 包括室温下高速的电子迁移率、 半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度,被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛 的应用前景[ 2] 。石墨烯是一种疏松物质,在高分子基体中易团聚,而且石墨烯本身不亲油、不亲水,在一定程度上也限制了石墨烯与高分子化合物的复合,尤其是纳米复合。因而,很多学者对石墨烯的改性进行了大量的研究,以提高石墨烯和高分子基体的亲和性,从而得到优异的复合效应。 1 石墨烯的改性方法 1.1 化学改性石墨烯 该方法基于改性Hummers法[3] 。首先,由天然石墨制得石墨氧化物, 再通过几种化学方法获得可溶性石墨烯。其化学方法包括:氧化石墨在稳定介质中的还原[4]、通过羧基酰胺化的共价改性[5] 、还原氧化石墨烯的非共价功能化[ 6]、环氧基的亲核取代[7]、重氮基盐的耦合[8] 等。此外,还出现了对石墨烯的氨基化[9]、酯化[10]、异氰酸酯[11] 改性等。用化学功能化的方法对石墨烯进行改性,不仅可以提高其溶解性 和加工性能,还可以增强有机高分子间的相互作用。1.2 电化学改性石墨烯 利用离子液体对石墨烯进行电化学改性已见报道[12] 。用电化学的方法,使石墨变成用化学改性石 墨烯的胶体悬浮体。石墨棒作为阴极,浸于水和咪唑离子液的相分离混合物中。以10~20V的恒定电 · 78· 第9期 高 分 子 通 报

石墨烯复合材料

石墨烯复合材料 石墨烯是单层碳原子通过sp2杂化形成的蜂窝点阵结构,属于二维原子晶体,此独特的空间结构,给石墨烯带来了优异的电学、力学、热学和比表面积大等性质。但是二维石墨烯由于片层之间具有较强的π-π作用和范德华力,使得石墨烯容易聚集形成石墨,限制了石墨烯在各个领域中的应用。因此,为了防止石墨烯的聚集和拓展石墨烯的应用,科研工作者将石墨烯与高分子或者无机纳米粒子进行复合,从而得到具有优异性能的复合材料。石墨烯的复合材料具有化学稳定性高、比表面积大,易回收等特点,在环境治理方面受到了科学家的青睐。 一、石墨烯复合材料的分类和制备 1、石墨烯-高分子复合材料 石墨烯-高分子复合材料,石墨烯的独特的结构和性能,对于改善高分子的导电性、热性能和吸附能力等方面有非常大的应用价值。制备石墨烯-高分复合材料最直接的方法是将高分子溶液与石墨烯的溶液混合,其中高分子和填充物在溶剂中的溶解能力是保证最佳分散度的重要因素。因此,在溶液混合时,可以将石墨基质表面功能化来提高它在多种溶剂中的溶解度。例如,异氰酸

苯酯修饰的GO在在聚苯乙烯的DMF溶液中表现出了较好的溶解度。 2、石墨烯-无机纳米粒子复合材料 无机纳米粒子存在着易于团簇的问题,并且选择合适的载体也是其广泛应用需要解决的问题。石墨烯具有多种优异的性能,并且具有较大的比表面积,可以成为无机纳米材料的载体。无机纳米粒子可以将易于团簇的石墨烯片层分开,防止团簇,从而两者形成石墨烯-无机纳米粒子新型的复合材料,这些材料广泛的应用于检测、催化和气体存储等方面。目前已报道的有负载的金属纳米粒子Ag、Au、氧化物纳米粒子ZnO和Fe3O4等。 3、其它石墨烯复合材料 石墨烯不仅仅可以和高分子、无机纳米材料复合,还可以同时结合高分子、纳米粒子和碳基材料中的一种或者两种,形成多元的含有石墨烯的复合材料。这类材料具有多功能性,用于超级电容器或者传感器等。 二、石墨烯复合材料在水治理的应用 1、吸附作用 碳材料中活性碳和碳纳米管被广泛的应用于水净化领域,将石墨烯与其它化合物进行复合,这些复合材料在吸附污染物上有非常高的效率,可以应用于染料、多芳香环烃和汽油的吸附。比如利用磁性-壳聚糖-石墨烯的复合材料可以大大提高去除溶液中的亚甲基蓝的效率,吸附能力达到

石墨烯基复合材料的制备及吸波性能研究进展

石墨烯基复合材料的制备及吸波性能研究 进展 摘要随着吉赫兹(GHz)频率范围的电磁波在无线通信领域的广泛应用,诸如电磁干扰、信息泄露等问题亟待解决。此外,军事领域中的电磁隐身技术与导弹的微波制导需要,使得电磁波吸收材料受到持续而广泛的关注。因此,迫切需要发展一种厚度薄、频带宽、强吸收的吸波材料。 石墨烯作为世界上最薄硬度最强的纳米材料,优点很多,例如石墨烯制成的片状材料中,厚度最薄,比表面积较大,具有超过金刚石的强度等,这些优点满足吸波材料的需求。石墨烯基复合材料在满足吸波材料基本要求的基础上又提升了材料吸收波的能力。 本文简单地介绍了吸波材料及石墨烯,综述概况了石墨烯基复合材料的研究现状,包括石墨烯复合材料制备方法、微观形貌以及复合材料的吸波性能,提出了石墨烯基复合吸波材料未来的发展方向。 关键词石墨烯基;吸波材料;纳米材料

Progress in Preparation and absorbing properties of graphene-based composites Abstract With the gigahertz (GHz) frequency range of the electromagnetic waves are widely used in wireless communications, such as electromagnetic interference, information leaks and other problems to be solved. In addition, military stealth technology in the field of electromagnetic and microwave guided missiles require such electromagnetic wave absorbing material is subjected to a sustained and widespread concern. Therefore, an urgent need to develop a thin, wide frequency band, a strong absorption of absorbing materials. Graphene as the strongest of the world's thinnest hardness nanomaterials, has many advantages, such as a sheet material made of graphene, the thinnest, large specific surface area, with more than a diamond of strength, these benefits meet absorbers It needs. Graphene-based composites on the basis of absorbing materials to meet the basic requirements but also enhance the ability of the material to absorb waves. This article briefly describes the absorbing material and graphene, graphene reviewed before the status quo based composite materials research, including graphene composite material preparation, morphology and absorbing properties of composites made of graphene-based composite

石墨烯在复合材料中的应用

石墨烯在复合材料中的应用 龚欣 (东南大学机械工程学院南京211189) 摘要:介绍了石墨烯与有机高聚物、无机纳米粒子以及其它碳基材料的复合物,同时展望了这些材料在相关领域中的应用前景. 关键词:石墨烯纳米复合材料 2004年至今, 关于石墨烯的研究成果已在SCI检索期刊上发表了超过2000篇论文, 石墨烯开始超越碳纳米管成为了备受瞩目的国际前沿和热点.基于石墨烯的纳米复合材料在能量储存、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出许多优良性能,具有广阔的应用前景.目前研究的石墨烯复合材料主要有石墨烯/聚合物复合材料和石墨烯/无机物复合材料两类,其制备方法主要有共混法、溶胶-凝胶法、插层法和原位聚合法.本文将对石墨烯的纳米复合材料及其性能等方面进行简要的综述. 一、基于石墨烯的复合物 利用石墨烯优良的特性与其它材料复合可赋予材料优异的性质.如利用石墨烯较强的机械性能,将其添加到高分子中,可以提高高分子材料的机械性能和导电性能;以石墨烯为载体负载纳米粒子,可以提高这些粒子在催化、传感器、超级电容器等领域中的应用. 1.1 石墨烯与高聚物的复合物 功能化后的石墨烯具有很好的溶液稳定性,适用于制备高性能聚合物复合材料.根据实验研究,如用异氰酸酯改性后的氧化石墨烯分散到聚苯乙烯中,还原处理后就可以得到石墨烯-聚苯乙烯高分子复合物.该复合物具有很好的导电性,添加体积分数为1%的石墨烯时,常温下该复合物的导电率可达0.1S/M,可在导电材料方面得到的应用. 添加石墨烯还可显著影响高聚物的其它性能,如玻璃化转变温度(Tg)、力学和电学性能等.例如在聚丙稀腈中添加质量分数约1%的功能化石墨烯,可使其Tg 提高40℃.在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中仅添加质量分数0.05%的石墨烯就可以将其Tg提高近30℃.添加石墨烯的PMMA比添加膨胀石墨和碳纳米管的PMMA具有更高的强度、模量以及导电率.在聚乙烯醇(PVA)和PMMA中添加质量分数0.6% 的功能化石墨烯后,其弹性模量和硬度有明显的增加.在聚苯胺中添加适量的氧化石墨烯所获得的聚苯胺-氧化石墨烯复合物的电容量(531F/g)比聚苯胺本身的电容量(约为216F/g)大1倍多,且具有较大的拉伸强度(12.6MPa).这些性能为石墨烯-聚苯胺复合物在超级电容器方面的应用创造了条件. 石墨烯在高聚物中还可形成一定的有序结构.通过还原分散在Nafition膜中

石墨烯磺酸功能化实验方案

实验方案备注 (1)4-磺酸基-氟硼酸重氮苯的合成 S1:称取17.3g4-磺胺酸(0.1 mol)固体溶于100ml蒸 馏水中后 S2: 将31.8 mL氟硼酸水溶液 (40 wt %, 0.2mol) 缓缓逐 滴加入磺胺酸水溶液中。将混合溶液冷却至0℃。 S3:维持恒温5℃,将7.0 g亚硝酸钠(100mmol)溶于 蒸馏水中,缓缓加入上步所得溶液中。添加完成,持 续搅拌2h。 S4:抽滤收集白色沉淀,再用乙醚洗涤数次。将白色 沉淀冷冻干燥和储存。 时间:2.5h (2)GP-SO3H(DS=1.21)的合成 S1:称取0.6g石墨烯粉末(GO,约0.05mol),其分散于500mL蒸馏水中. 使用5 wt %的碳酸钠水溶液调节其PH值至9左右。(5.26gNa2CO3,溶于100ml水中) S2:将调整过得溶液进行轻微的超声处理30min。将GO溶液用离心机分离30min以移除未反应的石墨,转速为2000rpm。 S3:称量3.9g硼氢化钠(0.1 mmol)溶于10mL蒸馏水中,将其加入GO的水溶液中,在70℃下反应1h。抽滤,使用蒸馏水洗涤直至其PH值达到7。 S4:将部分还原的GO重新分散到500mL的蒸馏水中,使用轻微声波震荡30min。使用冰浴将其冷却至室温。 S5:称取0.68 g(2.5mmol)制得的4-磺酸基-氟硼酸重氮苯,溶于10mL蒸馏水中,将其缓缓逐滴加入S4得到的溶液中,在室温下搅拌6h。反应溶液使用声波处理10min称量+30min 分散+1h预还原+2h 抽滤+30min分散+12h偶合+2h抽滤+完全还原24h

30min。再称取0.68g(2.5mmol)制得的4-磺酸基-氟硼酸重氮苯重复上述步骤。 S6:反应完成后,使用5 wt % 的碳酸钠水溶液调节PH 值至10以上,伴随添加有沉淀生成。将沉淀过滤出,并用蒸馏水(水)和乙醇洗涤,即可得到GO-SO3H。S7:将GO-SO3H 重新分散在500mL的蒸馏水中,再加入水合肼(5060%, 32 mL),在 120℃下充分还原 24 h。这步中磺酸基的存在使得石墨烯能够很好分散在水中。再使用5 wt % 的碳酸钠水溶液调节PH值至10以上,过滤得到沉淀,用水完全洗涤,冷冻干燥得到GP-SO3H (1.19 g)。 (3)GP-SO3H纳米纸的制备 S1:将所需量的GP-SO3H分散在水中,使用超声处理。然后使用离心机(2000 rpm)去除不溶的杂质。通过带有400 nm 规格孔隙的PC膜抽滤得到数百纳米至30μm左右的,并自然风干。 S2:从过滤器上将独立的纳米纸剥离,在真空炉中在250℃下进行热处理24h。即可得到可用的GP-SO3H纳米纸。 (4)石墨烯化学键合镀层 S1:将基片预先放置在装有GP-SO3H纳米纸碎片的反应炉中。为防止硅橡胶残余的灰污染基片表面,高温硅橡胶被放置在反应炉预先设定的位置。 S2:将反应炉中抽真空,然后在30min内迅速将温度从室温升至500℃。关闭真空抽取,然后在20min内将温度再次迅速升至1000℃。 S3:管内有气体产生,反应炉内的压力会逐渐升高至大气压,将真空阀转接Ar进气口。将炉中尽快清理干

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

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

Pt-石墨烯复合材料

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高分子石墨烯纳米复合材料的前沿与趋势

石墨烯聚合物纳米复合材料的前沿与趋势 聚合物与其他塑料结合形成混纺纤维,与滑石粉及云母混合形成填充系统,和与其他非均质加固物进行模型挤压生产复合材料和杂化材料。这种简单的“混合搭配”方法使得塑料工程师们能够利用聚合物团生产一系列能够控制极端条件的有用的材料。在这种方法中最后加入的事石墨烯------人们早就了解到它的存在但是知道2004年才被制备与鉴定出的碳单原子层。英国曼彻斯特大学的Andre K.Geim和Konstantin S.Novoselov因为分离出碳单原子层而被授予诺贝尔物理学奖。他们的成就导致了聚合物纳米材料的蓝图发生了变化。人们已经长期熟知碳基材料,像金刚石,六方碳和石墨烯。但是聚合物纳米材料研究团体重新燃起的热情主要由于石墨烯可与塑料结合的特性以及它来自于廉价的先驱体。石墨烯的性价比优势在纳米复合材料、镀膜加工、传感器和存储装置的应用上正挑战着碳纳米管。接着,这些只能被想象出来的应用将会出现。事实上,Andre Geim说过“石墨烯对于它的名字来说就是一种拥有最佳性能的非凡的物质。”这能够在目前大量发表的文献中可以看出。石墨烯为什么能够这样引起人们的兴趣呢?本篇综述尝试去处理在石墨烯纳米复合材料新兴潮流中所产生的这类问题。这个工作的范围被石墨烯聚合物纳米复合材料(GPNC)研究员提出期望的发展潜力进行了拓展。 神奇的石墨烯 石墨烯被频繁引用的性能是它的电子传输能力。这意味着一个电子可以在其中不被散射或无障碍地通行。石墨烯的电子迁移率可达到20000cm2/Vs,比硅晶体管高一个数量级。一片最近的综述表明,以改良样品制备的石墨烯,电子迁移率甚至可以超过25000cm2/Vs。石墨烯是否缺少禁带以及大量合成纯石墨烯是否可行只有将来的研究可以解释。目前,非凡的电子传导性能使得石墨烯居于各类物质之首。所以,利用石墨烯代替硅作为基质的可能性将指日可待。虽然石墨烯的电子传导能力要比铜高得多,但是其密度只有铜的1/5。文献中大量记载了石墨烯的电子传导性能极其影响方面的细节。 由于它固有的特性人们开始对它在纳米复合材料的应用产生了兴趣。据预测,一个单层无缺陷的石墨烯薄膜的抗拉强度要比其他任何物质都要大。事实上,James Hone’s小组已经用原子力显微镜研究了独立的单层石墨烯薄膜的断裂强度。他们测得的平均断裂力为1700nN。他们还发现石墨烯这种物质可以抵挡超高的应力(约25%)。这些测量值使得这个团队计算出无缺陷石墨烯薄片的内在强度为45Nm-1。这儿的内在强度被规定为无缺陷的纯物质在断裂之前所能承受的最大应力。石墨烯如此卓越的是由于它相当于1.0Tpa的杨氏模量。在其他的特性中Paul McEuen和同事们只有一个原子厚度的石墨烯薄膜即可隔绝气体,包括氦气。即石墨烯在实际应用中可作为密闭的微室。石墨烯所表现出的热传导性能要比铜高出很多倍。这就意味着石墨烯能够很容易地进行散热。最近对大块石墨烯薄膜的研究表明其热传导系数是600W/(m.K)。石墨烯另外的一个特性是其具有高的比表面积,计算值为2630m2g-1,而碳纳米管仅为1315m2g-1,这使得石墨烯在储能装置应用上成为一个候选材料。Rod Ruoff’s小组通过改性的石墨烯演示了其具有的超高电容性能。对石墨烯的新奇属性的详细描述随处可见石墨烯与碳纳米管相比有一个截然相反的属性是其不含杂质(不含金属),这对构建可靠的传感器和储能装置来说是一个重要的优势。,更进一步,由于它形状与结构,石墨烯或许有更低的毒性,这也成为目前研究的主题。 独立的纳米材料的这些性质使得物理学家,化学家,和材料学家,不论作为理论学家还是实验学家,都为石墨烯的潜力而感到振奋。然而,最重要的问题是去区分炒作还是现实。

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