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石墨烯的研究进展概述

兰耀海
摘 要：由于石墨烯具有独特的结构和优越的性能，现己逐渐应用于电子材料、薄膜材料、储能材料、液晶材料、催化材料等先进的功能材料领域。石墨烯复合材料是石墨烯应用研究中的重要领域，近年来已成为材料研究的热门领域。文章主要对石墨烯的物理化学性质、制备方法、石墨烯复合材料以及应用领域进行简单总结，并对未来石墨烯复合材料的发展做一展望。
关键词：石墨烯；复合材料；研究进展
1 石墨烯的物理化学性质
石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直到2004年，英国科学家成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，从而证实它可以单独存在。石墨烯具有特殊的单原子层结构和奇特的物理性质：强度达130GPa、热导率约5000J/（m·K·S），禁带宽度几乎为零、载流子迁移率达到2×105cm2/（V·s），具有极高的透明度（约为97.7%）、表面积的理论计算值为2630m2/g，石墨烯的杨氏模量（1100GPa）和断裂强度（125GPa）与碳纳米管相当，它还具有分数量子霍尔效应、量子霍尔铁磁性和零载流子浓度极限下的最小量子电导率等一系列优良性质。
石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收大约2.3%的光。石墨烯的物理性能优越可以翘曲成零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，这赋予石墨烯良好的导电性。
2 石墨烯的制备方法
自从2004年曼彻斯特大学的研究小组发现了单层及薄层石墨烯以来，石墨烯的制备引起学术界的广泛关注。由于二维晶体结构在有限温度下是极不稳定，而考察石墨烯的基本性质并充分发挥其优异性能需要高质量的单层或薄层石墨烯，这就要求寻找一种石墨烯的制备方法来满足日益增长的研究及应用需求。
目前石墨烯的制备方法主要划分为三类：第一类为化学剥离法，这种方法通过制备氧化石墨作为前躯体，使用化学还原，溶剂热还原，热膨胀还原等手段得到对应的石墨烯。第二类为合成法，包括有机前躯体合成和溶剂热合成两种方法。第三类为催化生长法，包括碳化硅外延生长，气相沉积等方法。有的文献将石墨烯的制备方法分为机械剥离法、化学氧化法、晶体外延生长法、化学气相沉积法、有机合成法和碳纳米管剥离法等。目前石墨烯的制备方法还有高温还原、光照还原、外延晶体生长法、微波法、电弧法、电化学法等。
3 石墨烯的应用领域
石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（约为100纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂，石墨烯同时也是世界上导电性最好的材料。石墨烯的应用范围广阔。根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯被广泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料等。根据其优异的导电性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。科学家发现，石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路，高频电路是现代电子工业的领头羊，一些电子设备，例如手机行业中，由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中，这就被要求使用越来越高的频率，然而手机的工作频率越高，热量也越高，于是，高频的提升也便受到很大的限制。由于石墨烯的出现，高频提升的发展前景变得广阔，这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，用来生产未来的超级计算机。
2010年，清华大学的科研人员首次将石墨烯覆盖在传统的单晶硅材料上，研究发现其具有优异的光电转换性能。石墨烯-硅模型材料还可以进一步拓展为石墨烯与其他半导体材料的结构，这种可以将石墨烯与传统材料结合的模型，为石墨烯的实际应用具有重要的推动作用。由于导电的石墨烯的厚度小于DNA链中相邻碱基之间的距离以及DNA四种碱基之间存在电子指纹，因此，石墨烯有望实现直接的，快速的，低成本的基因电子测序技术。石墨烯有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。
4 石墨烯复合材料
基于石墨烯的复合材料是石墨烯应用领域中的重要研究方向，其在能量储存、液晶器件、电了器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出了优良性能，具有广阔的应用前景。目前石墨烯复合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物复合材料和石墨烯基无机纳米复合材料上，而随着对石墨烯研究的深入，石墨烯增强体在块体金属基复合材料中的应用也越来越受到人们的重视。根据石墨烯与聚合物的相互作用方式不同，可将石墨烯聚合物复合材料分为石墨烯填充聚合物复合材料、层状石墨烯聚合物复合材料和功能化聚合物复合材料等。
5 石墨烯的发展展望
近几年，石墨烯逐渐引起了我国政府、学术界和企业界的高度重视。2012年，工业和信息化部发布的《新材料产业“十二五”发展规划》，规划中的前沿新材料就包含了石墨烯。虽然现阶段我国石墨烯尚没有形成大规模量产，也没有形成规模化的应用，但它作为新材料板块在“十二五”规划出台后的首个热点，有望通过市场的关注形成良好的产业带动效应。此外，国家科技重大专项、国家超级电器石墨烯等方向也部署了一批重大项目，取得了一系列创新成果，我国的国际影响力也逐步提升，同时国家自然科学基金也启动了多项重大科研计划，并取得了相应的成果。石墨烯以其优良的性能，正逐渐成为市场关注的焦点。
参考文献
[1] 匡达，胡文彬.石墨烯复合材料的研究进展[J].无机材料学报，2013.
[2] 李旭，赵卫峰，陈国华.石墨烯的制备与表征研究[J].材料导报，2008.
[3] 孙艳红，赵家昌，唐博合金等.石墨烯复合材料的研究进展[J].上海工程技术大学学报，2011.

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