摘要：因特殊的晶體結(jié)構(gòu)和良好的性能，石墨烯在改善樹脂基復(fù)合材料的力、熱、電等性能方面具有巨大的潛力。本文簡述了石墨烯的結(jié)構(gòu)、改性方法、制備方法及應(yīng)用。環(huán)氧樹脂是一種常用的熱固性樹脂基體。介紹了環(huán)氧樹脂的研究現(xiàn)狀包括其性能、分類以及應(yīng)用。同時概括石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀并對其熱學性能、電學性能等性能進行綜述。

關(guān)鍵詞：石墨烯；環(huán)氧樹脂；復(fù)合材料

1引言

2004年，英國科學家首次使用微機械剝離法成功地從高定向熱裂解石墨上剝離出單層石墨烯，該實驗發(fā)現(xiàn)了在富勒烯和碳納米管之后的又一種新型納米碳材料，是碳材料科學研究領(lǐng)域的重要新發(fā)現(xiàn)[1]。

2石墨烯

2.1石墨烯的概述

石墨烯（Graphene）由碳原子以sp2雜化方式形成，是一種蜂窩狀平面薄膜并且只有一個原子層厚度的準二維材料，所以又被稱為單原子層石墨。石墨烯的厚度一般在0.335nm左右，因不同的制備方式會有小幅度的起伏。除金剛石外，其余所有碳晶體都由石墨烯作為基本結(jié)構(gòu)單元。

2.2石墨烯的制備

石墨烯作為一種性能優(yōu)異的新材料，其制備方法是研究石墨烯的基礎(chǔ)。隨著對石墨烯的研究不斷深入，目前有多種石墨烯的制備方法，如機械剝離法、氧化石墨還原法等。

2.3機械剝離法

機械剝離法是最簡單的一種物理方法，即用物理手段將石墨烯薄片從大塊晶體上剝離下來。2004年，Novoselovt等[2]用透明膠帶在高定向熱解石墨表面反復(fù)撕揭成功制備出了石墨烯，并獲得了2010年諾貝爾物理學獎。該方法操作簡單且不會破壞石墨烯的片層結(jié)構(gòu)，但獲得的產(chǎn)物尺寸不易控制，無法可靠地制備出要求尺寸的石墨烯，因此不能滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。

2.4氧化石墨還原法

這是目應(yīng)用最多的的制備石墨烯的方法。氧化石墨還原法制備石墨烯是將石墨片作為原料，并分散在強氧化性混合酸中，如濃硝酸、濃硫酸等，然后加入高錳酸鉀或氯酸鉀強等氧化劑氧化得到氧化石墨（GO）水溶膠，再經(jīng)過超聲處理得到氧化石墨烯，最后用還原劑還原得到石墨烯。

3環(huán)氧樹脂

3.1環(huán)氧樹脂概述：

環(huán)氧樹脂是泛指分子中含有兩個或兩個以上環(huán)氧基團的有機化合物，多數(shù)環(huán)氧樹脂的相對分子質(zhì)量不高，環(huán)氧樹脂的分子結(jié)構(gòu)是以分子鏈中含有活潑的環(huán)氧基團為其特征，環(huán)氧基團可以位于分子鏈的末端、中間或成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。一般狀態(tài)下，凡分子結(jié)構(gòu)中含有環(huán)氧基團的高分子化合物統(tǒng)稱為環(huán)氧樹脂。

3.2環(huán)氧樹脂的性能：

固化后的環(huán)氧樹脂具有良好的物理、化學性能。優(yōu)良物理性能如電絕緣性、高耐熱能力、具有黏附力強、內(nèi)聚強度高、機械強度好、硬度高、柔韌性好、固化收縮率低、無揮發(fā)分、介電性能及耐高溫性能良好等特點；其化學性能主要以超高的化學穩(wěn)定性為代表。

然而固化后的環(huán)氧樹脂交聯(lián)密度高、內(nèi)應(yīng)力大、疲勞壽命短和抗沖擊性差等缺點，需對其進行增韌來提高抗沖擊能力?？梢蕴砑佑袡C填料、制作半互穿網(wǎng)絡(luò)或引入柔性鏈段等方式來增韌。[3]

4石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料

4.1石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀

復(fù)合材料，是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學的方法，組成具有新性能的材料，各種材料在性能上互相取長補短。氧樹脂具有優(yōu)異的抗腐燭性能、粘接性能和電絕緣性能，但是環(huán)氧樹脂固化后卻具有脆性大、阻止裂紋擴展能力差、耐熱性差等缺點。那么，可通過在環(huán)氧樹脂中引入增強相來改善環(huán)氧樹脂的性能。為充分利用石墨烯的優(yōu)異性能，將石墨稀作為增強體加入到聚合物基體中，改善聚合物基體的性能，得到性能優(yōu)異的復(fù)合材料。

4.2石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備

本文以環(huán)氧樹脂為基體，改性石墨烯為增強體，制備了改性石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，具體實驗步驟為：（1）稱取一定量環(huán)氧樹脂、改性石墨烯（環(huán)氧樹脂質(zhì)量的0wt.%、0.1wt.%、0.3wt.%、0.5wt.%）；（2）將改性石墨烯與一定量丙酮混合并超聲3h（溫度為30℃，功率為300W，頻率為45KHZ），將環(huán)氧樹脂于80℃水浴中預(yù)熱15min；（3）將改性石墨烯、丙酮混合體系加入環(huán)氧樹脂中并于80℃水浴中機械攪拌3h；（4）將混合體系放入真空干燥箱中抽真空12h（溫度為80℃）；（5）將預(yù)熱后的固化劑加入混合體系并置于70℃水浴中輕微攪拌10min，然后放入真空干燥箱中抽真空10min（溫度為60℃）；（6）將混合體系澆入已預(yù)熱的模具（涂抹少許甲基硅油）內(nèi)，并置于真空干燥箱中，于60℃下固化1h、80℃下固化1h、120℃下固化5h，冷卻至室溫后取樣。

4.3石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的性能

（1）力學性能方面

任小孟[4]等人研環(huán)究了石墨烯類材料對氧樹脂的增韌效果，研究表明了石墨烯具有較好的增韌效果，隨添加量的增加，效果更明顯。同時，還研究了復(fù)合材料的拉伸強度，當石墨烯含量為1.0wt%時，其拉伸強度達到最大值（約62.7MPa）。

（2）熱性能方面

唐波等人[5]圍繞石墨烯對環(huán)氧樹脂熱導(dǎo)性能的提高相關(guān)機理開展研究，研究表明石墨烯能顯著提高環(huán)氧樹脂的熱導(dǎo)率，當石墨烯的含量為15%時，在常溫下復(fù)合熱界面材料的熱導(dǎo)率達到4.8W/（m？k）。

（3）電性能方面

王學寶等人[6]研究，采用溶膠一凝膠法和超臨界干燥法制備石墨烯氣凝膠（GA），高溫熱還原法制備熱還原GA，超聲共混法制備熱還原GA/環(huán)氧樹脂（EP）復(fù)合材料，，研究其導(dǎo)電性能。結(jié)果表明，隨熱還原GA質(zhì)量分數(shù)的增加，熱還原GA/EP復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度先升高后降低，而其電導(dǎo)率逐漸增加。

5結(jié)語

本文主要闡述了石墨烯的制備方法以及石墨烯-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀。目前，在石墨烯的研究中，如何制造成本低廉、結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定的石墨烯材料、并量化生產(chǎn)，如何制備功能化的石墨烯并且能充分改善環(huán)氧樹脂的各方面性能，如何使石墨烯在環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料中達到符合使用要求，并充分發(fā)揮其良好的力學、電學等性能以提高復(fù)合材料的綜合性能是石墨烯-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料規(guī)?；a(chǎn)以及應(yīng)用的基礎(chǔ)。