[发明专利]含石墨烯的复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种含石墨烯的复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

石墨烯(Graphene)是由单层碳原子构成的具有六边形蜂窝状结构的二维晶体。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，赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以看是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。石墨烯中碳-碳键长约为0.143nm，每个晶格内有三个σ键，链接十分牢固，形成了稳定的六边形状。单层石墨烯厚度仅为0.35nm，约为头发丝直径的二十万分之一。

到目前为止，石墨烯被发现具有许多新奇而独特的物理现象，例如无质量的狄拉克费米子、量子霍尔效应、室温磁效应以及在室温下自旋依赖的输运。更重要的是，独特结构的石墨烯具有多重的优异性能，较小的质量密度(2.2g/cm³)，极大的比表面积(～2630m²/g)，极高的本征迁移率(＞104cm²/Vs超过商用硅片10倍)而电阻率只约10^-6Ω.cm，为目前世界上电阻率最小的材料、突出的导热性能(3000W/m^-1K^-1,是金刚石的3倍)和力学性能(杨氏模量高达1.0TPa，是钢的100多倍),石墨烯中电子的运动速度超过了在其他金属单体或是半导体中的运动速度，能够达到光速的1/300。石墨是矿物质中最软的，其莫氏硬度只有1～2级，但被分离成一个碳原子厚度的石墨烯后，性能则发生突变，其硬度比莫氏硬度10级的金刚石还高，高达130GPa的强度，却又拥有很好的韧性，可任意弯曲。并且几近透明，在很宽的波段内光吸收只有2.3％。因其室温导电速度最快、力学强度最大、导热能力最强等性能，石墨烯在纳米电子器件、光电子器件、传感器、超级电容器、能量存储、燃料电池集成电路、晶体管、场效应管等方面具有重要潜在应用。

可通过溶融共混、溶液共混、也可通过溶液插层等方法将有机分子引入石墨的片层之间，然后原位生长制备石墨烯/高分子材料复合材料。由于石墨烯具有高强度、高导电性、高透光性、高硬度、高阻隔性、室温量子霍尔效应等一系列优异的性能，而且其原料(石墨、烃类等)充足，价格低廉。因此具有很广泛的用途。将石墨烯作为添加相应用于高分子材料之中制备复合材料是目前制备高性能、多功能、智能化复合材料研究的重点。而高分子材料中直接添加石墨烯，其性能往往达不到实际生产期望的要求，所以需对其进行进一步的功能化改性和结构设计才能达到功能化和智能化的目标。

多功能、智能化聚合物复合材料中，压力-电阻响应复合材料的制备技术中，多用炭黑、碳纳米管、和普通的石墨烯作为填料。但存在一系列的问题，如：以炭黑为填料的压阻复合材料低敏感度、高填充量、重复性不佳；以碳纳米管为填料的压阻复合材料虽然具有较高的压阻敏感度以及较低的填充量，但是这种优异的压阻特性很难在循环测试中得到理想的重复。也有用石墨烯作为填料，并且用烷基化来改善导电填料和聚合物基体间的结合从而达到压阻响应的目的。这只是简单地解决了界面的结合问题，但是没有从根本和源头解决界面的结合和压阻响应的问题。因此，我们我们先将石墨烯表面进行磺化接枝，然后再采用原位聚合的方法通过氢键结合上聚3,4-(乙撑二氧噻吩)，从而制备得到一种石墨烯-导电聚合物的复合材料。此种材料可单独作为压阻材料，也可和聚合物复合形成压阻材料。

目前，研究石墨烯高分子多功能、智能化复合材料主要有以下几种：申请日为：2012.05.10，申请号为：201210144498.X，公开号为：CN 102173145 A，公开日期为：2012.09.19，专利名称为：“一种表面改性石墨烯聚合物基压阻复合材料及其制备方法”，以烷基化石墨烯作为填料，和硅橡胶复合制备一种压阻响应材料。

申请日为：2011.12.15，申请号为：201110419526.X，授权公告号为：CN 102558772B，授权日期为：2013.03.06，专利名称为：“一种聚3,4-(乙撑二氧噻吩)/磺化石墨烯复合水凝胶及其制备方法”，以聚3,4-(乙撑二氧噻吩)、聚苯乙烯磺酸钠、磺化石墨烯作为单组份，然后混合形成复合水凝胶，用以改善电性能和力学强度。