功能复合材料—讲义—石墨烯改性
探析石墨烯的表面改性及其在涂层中的应用
探析石墨烯的表面改性及其在涂层中的应用石墨烯是由碳原子构成的二维晶体材料，其具有独特的物理和化学性质，因此在科学研究和工业应用中引起了广泛的关注。
石墨烯的表面改性是指通过对石墨烯表面进行化学修饰或物理处理，改变其表面性质和功能。
石墨烯的表面改性主要包括化学修饰和物理处理两种方法。
化学修饰是利用化学反应将分子或原子与石墨烯表面进行连接或覆盖，改变其表面性质和功能。
常用的化学修饰方法有氧化、还原、硝化等。
通过氧化可以在石墨烯表面引入羟基或羧基，使其具有良好的亲水性，从而提高石墨烯在涂层材料中的分散性和润湿性。
化学修饰还可以引入活性基团，使石墨烯具有更多的官能团，进而与其他物质发生化学反应，实现多种功能的引入。
物理处理是通过物理手段改变石墨烯表面的形貌和结构，从而改变其表面性质和功能。
常用的物理处理方法有热处理、等离子体处理等。
通过高温热处理可以使石墨烯表面形成缺陷和杂质，从而增加石墨烯的化学反应活性和催化性能。
等离子体处理可以在石墨烯表面引入氨基、羟基等官能团，增加其在涂层中的粘附性和耐久性。
石墨烯的表面改性在涂层中具有广泛的应用前景。
石墨烯具有极高的比表面积和导电性，可以增加涂层的阻隔性能和导电性能。
石墨烯具有优异的机械性能和化学稳定性，可以提高涂层的硬度和耐腐蚀性。
石墨烯还具有良好的光学性质和热导性能，可以改善涂层的透明性和导热性能。
石墨烯在涂层中的应用主要涉及领域包括电子器件、太阳能电池、防腐涂料等。
石墨烯可以作为电子器件的导电层，提高电子器件的导电性能和稳定性。
石墨烯可以作为太阳能电池的透明导电层，提高太阳能电池的能量转化效率。
石墨烯还可以用于制备具有优异防腐性能的涂料，提高金属材料的耐腐蚀性和保护性。
石墨烯的表面改性可以通过化学修饰和物理处理两种方法实现，其在涂层材料中具有广泛的应用潜力。
随着对石墨烯材料性质的深入研究和技术的不断突破，石墨烯涂层材料将会有更广泛的应用前景。
探析石墨烯的表面改性及其在涂层中的应用
探析石墨烯的表面改性及其在涂层中的应用【摘要】石墨烯是一种具有优异导电、高强度和超薄结构的二维材料，自其发现以来，一直备受关注。
本文探讨了石墨烯表面改性在涂层中的应用。
通过实现石墨烯表面改性，可以增强其与其他物质的相容性和粘附性，提高涂层的耐久性和性能。
石墨烯在涂层中的应用优势主要包括其高导电性和强度优势，可以应用于防腐涂料和导电涂料中。
石墨烯改性涂层的性能优化也是当前研究重点之一。
结合石墨烯的特性和优势，预计石墨烯在涂层领域有广阔的应用前景，为涂层提供了新的可能性。
石墨烯的发现和表面改性对涂层领域带来了重要的突破，为未来涂料技术的发展开辟了新的研究方向。
【关键词】石墨烯, 表面改性, 涂层, 应用, 优势, 性能优化, 防腐涂料, 导电涂料, 可能性, 应用前景1. 引言1.1 石墨烯的发现与特性石墨烯是由石墨经过化学还原、机械剥离等方法获得的一种二维晶体材料，是由一个原子层组成的二维晶体材料。
石墨烯具有很多优异的特性，比如高导热性、高机械强度、高光学透明度等，是一种具有广泛应用前景的新型材料。
石墨烯的发现可以追溯到2004年，由英国曼彻斯特大学两位科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫首次成功分离出石墨烯，从而引发了全球范围内对石墨烯研究的热潮。
石墨烯具有很高的电子迁移率和热传导率，使其成为理想的导电材料和热导材料。
石墨烯还具有出色的力学性能，比如高弹性模量和强度，使其在纳米材料领域具有广泛的应用前景。
石墨烯的发现为材料科学和技术领域带来了新的突破，为石墨烯在涂层领域的应用提供了强有力的支撑。
1.2 对石墨烯表面改性的重要性石墨烯表面改性的重要性主要体现在以下几个方面：改性可以增加石墨烯与其他物质的相互作用力，提高其在复合材料中的分散性和增强性能；改性可以使石墨烯具有更多的功能化官能团，拓展其在不同领域的应用，如生物医药、传感器等；通过表面改性可以提高石墨烯的稳定性和耐久性，使其更加适合工业化生产和应用。
《石墨烯与改性石墨烯的制备及其在复合材料中应用研究》
《石墨烯与改性石墨烯的制备及其在复合材料中应用研究》一、引言随着纳米科技的飞速发展，石墨烯作为一种新型的二维纳米材料，因其独特的物理、化学性质，在材料科学领域引起了广泛的关注。
其优异的导电性、热导率、力学性能以及大的比表面积等特性，使得石墨烯在复合材料中具有巨大的应用潜力。
本文将重点探讨石墨烯及改性石墨烯的制备方法，以及它们在复合材料中的应用研究。
二、石墨烯与改性石墨烯的制备1. 石墨烯的制备石墨烯的制备方法主要包括机械剥离法、氧化还原法、化学气相沉积法等。
其中，氧化还原法因其成本低、产量大、操作简便等优点，成为制备石墨烯的常用方法。
该方法首先将天然石墨氧化，得到氧化石墨，然后通过还原得到石墨烯。
2. 改性石墨烯的制备改性石墨烯主要是通过在石墨烯表面引入官能团、掺杂异质元素或与其他材料复合等方式，改善其分散性、亲水性、导电性等性能。
常见的改性方法包括共价改性、非共价改性和掺杂改性等。
三、石墨烯与改性石墨烯在复合材料中的应用1. 石墨烯在复合材料中的应用由于石墨烯具有优异的导电性、热导率和力学性能，将其添加到聚合物、金属、陶瓷等材料中，可以显著提高复合材料的性能。
例如，在聚合物基复合材料中，石墨烯可以提高材料的导电性、热稳定性以及力学性能。
在金属基复合材料中，石墨烯可以作为增强相，提高材料的硬度和耐磨性。
2. 改性石墨烯在复合材料中的应用改性石墨烯通过改善其分散性、亲水性和导电性等性能，在复合材料中的应用更加广泛。
例如，通过共价改性引入含氧官能团的石墨烯，可以改善其在极性溶剂中的分散性，从而更好地与其他材料复合。
改性后的石墨烯在聚合物基复合材料中可以形成更为均匀的分散体系，进一步提高复合材料的性能。
四、结论石墨烯及改性石墨烯的制备方法多种多样，其独特的物理、化学性质使得它们在复合材料中具有广泛的应用前景。
随着纳米科技的不断发展，石墨烯及改性石墨烯在复合材料中的应用将更加深入和广泛。
未来研究应关注如何进一步提高石墨烯及改性石墨烯的制备效率、质量以及其在复合材料中的性能表现，以推动其在更多领域的应用。
石墨烯复合材料
石墨烯复合材料复合材料，即是将两种或两种以上不同品质的材料，通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能材料，其中连续相为基体，其他相组分为增强体。
依据金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料等的不同组合，可构成不同的复合材料体系。
在复合材料中，各种组成材料的互相作用在性能上产生协同效应，从而使材料的综合性能或某些特性优于原来的组成材料，因此可以满足各种不同的需求。
复合材料应用扩张的趋势十分迅猛，《中国制造2025》提出的重点发展的十大领域中，复合材料可在其中八个领域内发挥重要作用。
随着新的复合材料增强体和基体的不断涌现，纳米复合材料、智能复合材料和结构功能一体化复合材料等将成为复合材料发展的新方向。
石墨烯是在2004年成功制备出的一种新型材料，其中碳原子互相以共价键形成平面结构。
石墨烯具有许多优异的物理化学特性，近年来受到学术和产业界的高度重视，成为一种明星材料。
将石墨烯作为复合材料的组分之一，利用其高性能的特点提升现有复合材料的性能，或设计各种新型的复合材料，已成为科学与工程领域中的一个热点问题。
1.1 石墨烯的结构、性质与制备方法1.1.1 石墨烯的结构与性质石墨烯，是2004年由Andre Geim和Kanstantin Novoselov两位科学家制备出的一种全新的二维材料。
石墨烯是由碳原子之间互相以sp2杂化轨道键合形成蜂窝状结构的原子单层，厚度仅为0.34nm。
相邻的原子层则是以范德瓦尔斯力相互结合在一起。
在其原子层的内部，各个碳原子以p z轨道形成离域π键，赋予石墨烯特有的电子性能。
相对于层内的共价键，石墨烯层间的范德瓦尔斯作用力在强度上要弱一些，这使得石墨烯具有易于剥离的特性。
通过机械剥离法可以从石墨原料制备出一层或少层的石墨烯，也是基于这一原理。
作为一种二维材料，石墨烯和体相的石墨材料具有显著的差别。
在层数由多层降为少层之后，碳原子所处的晶格势场发生了改变，形成了特殊的电子结构。
石墨烯化学改性及其应用研究
石墨烯化学改性及其应用研究石墨烯是一种由碳原子构成的平面六角形结构的材料，它具有很高的机械强度、热导率和导电率，被认为是一种前景广阔的新型材料。
然而，石墨烯的应用受到其在化学稳定性和生物相容性方面的限制。
为了解决这些问题，石墨烯化学改性被广泛研究。
一、石墨烯化学改性方法石墨烯的化学稳定性可以通过在其表面引入化学官能团来增强。
通常使用的方法有氧化、烷基化和芳基化等。
1. 氧化改性：氧化是最常用的化学改性方法之一，可以通过暴露石墨烯在有机溶剂和强氧化剂下，例如硝酸和过氧化氢，来引入氧化官能团。
氧化石墨烯（GO）的羟基、羧基和酮基等官能团可以提高其在水中的分散性，并可用于制备复合材料和高性能纳米电子器件。
2. 烷基化改性：烷基化是通过与自由基或亲电试剂反应来在石墨烯表面引入烷基官能团。
例如，用溴代烷或卤代乙酸盐可以在石墨烯表面引入烷基官能团，增加了其与有机分子的相容性。
3. 芳基化改性：芳基化包括用芳香族化合物进行反应或热解。
通过用过渡金属催化剂催化石墨烯和芳香族化合物的反应，可以在石墨烯表面引入芳基官能团，增加其化学反应性和电学性质。
二、石墨烯化学改性应用的研究进展通过石墨烯化学改性，可以实现对其物理和化学性质的精确调控，从而扩大其应用范围。
1. 生物医学应用研究石墨烯化学改性后的材料具有更好的生物相容性和生物可降解性。
例如，氧化石墨烯经过PEG化改性后可以在体内通过肝脏进行有效降解。
将石墨烯氧化物与生物大分子（如DNA、蛋白质）进行配合，可以用于有效地传递DNA和制备纳米载药系统，具有很好的药物控释效果。
2. 电子和储能应用研究石墨烯经过化学改性后可以用于制备新型的电子和储能器件。
例如，将石墨烯氧化物与其他功能性纳米材料（如金属纳米粒子和碳纳米管）进行配合，制备出复合材料，可用于电池、超级电容器和光电催化剂等领域。
同时，将石墨烯表面修饰具有机功能分子可以增强其在电路中的性能和稳定性。
3. 其他应用研究石墨烯经过化学改性之后，还可以用于各种领域。
《石墨烯与改性石墨烯的制备及其在复合材料中应用研究》
《石墨烯与改性石墨烯的制备及其在复合材料中应用研究》一、引言随着纳米科技的飞速发展，石墨烯作为一种新型的二维纳米材料，因其独特的物理、化学性质，近年来在科学界引起了广泛的关注。
其优异的导电性、高强度、高热导率等特性使得石墨烯在复合材料领域有着巨大的应用潜力。
然而，纯石墨烯的应用往往受到其制备成本高、产量低以及难以实现规模化生产等问题的限制。
因此，改性石墨烯的制备及其在复合材料中的应用成为了研究的重要方向。
二、石墨烯的制备石墨烯的制备主要采用化学气相沉积法、氧化还原法以及液相剥离法等方法。
其中，氧化还原法因其原料易得、制备工艺简单等优点被广泛应用。
首先，通过强酸、强氧化剂对天然石墨进行氧化处理，得到氧化石墨；然后，通过一定的还原手段，如热还原、化学还原等，将氧化石墨还原为石墨烯。
此外，液相剥离法是利用液相中的剥离剂将天然石墨剥离成单层或几层的石墨烯片层。
三、改性石墨烯的制备改性石墨烯主要是通过物理或化学方法对石墨烯进行表面修饰或掺杂，以提高其分散性、稳定性及与其他材料的相容性。
常见的改性方法包括共价改性和非共价改性。
共价改性是通过引入官能团或化学键对石墨烯进行修饰；非共价改性则是利用分子间的相互作用力，如范德华力、氢键等，将其他分子吸附在石墨烯表面。
四、改性石墨烯在复合材料中的应用改性石墨烯在复合材料中的应用广泛，特别是在导电、导热、电磁屏蔽等领域。
首先，在导电复合材料中，改性石墨烯因其优异的导电性能和良好的分散性，可显著提高复合材料的导电性能。
其次，在导热复合材料中，改性石墨烯的高热导率使其成为提高复合材料导热性能的理想选择。
此外，改性石墨烯还具有优异的电磁屏蔽性能，可广泛应用于电磁屏蔽材料的制备。
五、研究展望未来，随着纳米科技的进一步发展，石墨烯及改性石墨烯在复合材料中的应用将更加广泛。
首先，需要进一步研究石墨烯及改性石墨烯的制备工艺，提高其产量和降低生产成本，以实现规模化生产。
其次，需要深入研究改性石墨烯的物理、化学性质及其与基体的相互作用机制，以提高其在复合材料中的性能和应用效果。
《石墨烯与改性石墨烯的制备及其在复合材料中应用研究》
《石墨烯与改性石墨烯的制备及其在复合材料中应用研究》一、引言随着科技的不断进步，石墨烯作为一种新型的二维材料，以其出色的物理、化学和机械性能引起了全球研究者的广泛关注。
在材料科学、能源、电子等领域中，石墨烯的制备及其在复合材料中的应用研究已成为前沿课题。
本文将重点探讨石墨烯与改性石墨烯的制备方法，以及它们在复合材料中的应用研究。
二、石墨烯与改性石墨烯的制备1. 石墨烯的制备石墨烯的制备方法主要包括机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法等。
其中，氧化还原法因成本低、操作简便等优点得到了广泛应用。
该方法主要是通过氧化石墨得到氧化石墨烯，再通过还原剂如水合肼、维生素C等将其还原为石墨烯。
2. 改性石墨烯的制备改性石墨烯主要是通过化学、物理或生物方法对石墨烯进行表面修饰或功能化，以提高其性能。
常见的改性方法包括非共价修饰和共价修饰。
非共价修饰主要利用范德华力或π-π堆积等相互作用将分子吸附在石墨烯表面；共价修饰则通过引入官能团等方式对石墨烯进行化学改性。
三、石墨烯与改性石墨烯在复合材料中的应用1. 能源领域应用石墨烯因其优异的导电性、导热性和机械性能，被广泛应用于能源领域。
例如，石墨烯可以用于制备高性能的锂离子电池和超级电容器，还可以用于制备高效的太阳能电池等。
而改性石墨烯由于具有更好的分散性和与其他材料的相容性，能进一步提高复合材料的性能。
2. 材料科学领域应用在材料科学领域，石墨烯和改性石墨烯可以用于制备高强度、高韧性的复合材料。
例如，将石墨烯与聚合物基材复合，可以显著提高聚合物的力学性能、热稳定性和导电性。
此外，改性石墨烯还可以用于制备具有特殊功能的复合材料，如磁性复合材料、光敏复合材料等。
3. 生物医学领域应用石墨烯和改性石墨烯在生物医学领域也具有广泛的应用前景。
例如，利用其优异的生物相容性和导电性，可以将其用于制备生物传感器、药物载体等。
此外，改性石墨烯还可以用于改善生物材料的表面性能，如抗菌性能、抗凝血性能等。
石墨烯的改性原理及应用
石墨烯的改性原理及应用1. 石墨烯简介石墨烯是一种碳原子排列成六角形的二维材料，具有极高的导电性、导热性和机械强度。
由于其独特的性质，石墨烯被广泛研究，并在各个领域展现出巨大的应用前景。
2. 石墨烯的改性原理石墨烯的改性是通过对其进行化学或物理处理来改变其性质，以满足特定的应用需求。
常见的石墨烯改性方法有：•氧化改性：将石墨烯与氧化剂接触，引入氧原子，形成氧化石墨烯（GO）。
氧化石墨烯具有较好的亲水性和分散性，可用于制备复合材料、传感器等。
•氮化改性：通过氮化剂与石墨烯反应，使石墨烯表面富集氮原子。
氮化石墨烯具有较高的导电性，可用于电子器件和催化材料等领域。
•掺杂改性：将其他元素或化合物引入石墨烯晶格中，如硼、硅、硫等。
掺杂石墨烯具有特殊的性能，可用于能源存储、催化反应等领域。
3. 石墨烯的应用领域石墨烯的独特性质使其在许多领域都有广泛应用的潜力。
3.1 电子器件石墨烯具有高电子迁移率和优异的导电性能，使其成为下一代电子器件的理想候选材料。
石墨烯场效应晶体管、石墨烯集成电路等已成为研究的热点。
3.2 传感器由于石墨烯的高度灵敏和优异的电子性能，石墨烯传感器在化学传感、生物传感、环境监测等领域具有广泛的应用前景。
石墨烯传感器可以高效地检测微量物质，并具有高灵敏度和高选择性。
3.3 储能材料由于石墨烯的高表面积和良好的电导率，石墨烯被广泛应用于锂离子电池、超级电容器等储能装置中。
石墨烯在储能领域具有很高的应用潜力，可以提高储能装置的能量密度和循环寿命。
3.4 催化材料石墨烯作为催化剂载体具有优异的催化性能。
通过改变石墨烯的结构和表面改性，可以调控其对反应物的吸附性能和催化活性，用于催化合成、能源转换和环境保护等领域。
3.5 填料材料石墨烯具有优异的机械性能和导电性能，可用于制备高性能复合材料。
将石墨烯添加到聚合物、金属或陶瓷基质中，可以显著改善材料的力学性能、导电性能和热稳定性，提高材料的综合性能。
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通 向
的 电 梯
比钻石还硬的材料 ——石墨烯
主要内容
➢石墨烯材料的简介 ➢石墨烯材料的改性 ➢石墨烯材料的应用及展望
一、石墨烯材料的简介
1、定义
石墨烯（Graphene）是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格 结构的一种碳质新材料，厚度只有0.335纳米,仅为头发的20万分之 一，是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三 维石墨）的基本单元，具有极好的结晶性、力学性能和电学质量。 2、发现
（二）
pH Sensitive Graphene- Polymer Nanocomposites
Synthesis of pH Sensitive Pyrene- Polymer Composites viaπ- π Stacking Interactions for the Self-Assembly of Functionalized Graphene into Layered Structures
(a) A TEM image of exfoliated GO
(b) a magnified TEM image showing the edge of GO
(c) a TEM image of GO/PDMAEMA nanocomposite after stained by OsO4
SEM image of GO decorated by poly(EGDMA-co-MAA) particles.
3、结构 完美的石墨烯是二维的, 它只包括六角元胞(等角
六边形) 如果有五角元胞和七角元胞存在,那么他们构成石
墨烯的缺陷。如果少量的五角元胞细胞会使石墨烯翘 曲; 12个五角元胞的会形成富勒烯。碳纳米管也被认 为是卷成圆桶的石墨烯维石墨）的基本单元
曼彻斯特的小组采用标准半导体制造技术制作 出晶体管。从一小片石墨烯片层开始，采用电 子束曝光在材料上刻出沟道。在被称为中央岛 的中部位置保持一个带有微小圆笼的量子点。 电压可以改变这些量子点的电导率，这样就可 以像标准场效应晶体管那样储存逻辑态。
双层石墨烯可降低元器件电噪声
美国IBM公司T·J·沃森研究中心 的科学家，最近攻克了在利用石墨 构建纳米电路方面最令人困扰的难 题，即通过将两层石墨烯片叠加， 可以将元器件的电噪声降低10倍， 由此可以大幅改善晶体管的性能， 这将有助于制造出比硅晶体管速度 快、体积小、能耗低的石墨烯晶体 管。
The π- π stacking attachment methodology can be used for attaching any polymer onto graphene basal planes and should allow the retention of excellent electrical properties.
石墨烯的出现可能会将摩尔定律延续下去，
2025年以后可能是从“硅”时代跨越到“石墨烯”
谢 谢 各 位 聆 听
C60
Carbon nanotube
Graphite
二、石墨烯的改性（一）
Exfoliated Graphite Oxie Decorated by PDMAEMA Chains(聚甲 基丙烯酸N,N-二甲氧基乙酯 ）and Polymer Particle
The Modification of processing :
Graphene(石墨烯) 是2004年由曼彻斯特大学科斯提亚•诺沃谢 夫（Kostya Novoselov）和安德烈•盖姆（Andre Geim）发现的， 他们使用的是一种被称为机械微应力技术（micromechanical cleavage）的简单方法。正是这种简单的方法制备出来的简单物质 ——石墨烯推翻了科学界的一个长久以来的错误认识——任何二维 晶体不能在有限的温度下稳定存在。现在石墨烯这种二维晶体不仅 可以在室温存在，而且十分稳定的存在于通常的环境下。
三、石墨烯材料的应用及展望
氧化石墨烯
Dikin等制成了无支撑氧化石墨烯纸状 材料。氧化石墨烯片是以一种接近平行 的方式相互连接或瓦片式连接在一起形 成的，拉伸试验表明氧化石墨烯纸具有 较高的拉伸模量和断裂强度，其平均模 量为32 GPa，性能与用类似方法制备的 碳纳米管布基纸相当。
Graphene晶体管
(c) high-resolution SEM images of graphenePDMAEA composite aggregates (d) high-resolution SEM images of more dispersed graphene- PDMAEA composite prepared by spin-coating onto a silicon substrate.
This research provides a direct way to modification of GO and preparation of functional polymer/GO composites, which will accelerate the development and applications of the GObased materials.
石墨烯的展望
1. 电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管 2. 进一步减小器件开关时间，THz超高频率的操作响应特性 3. 探索单电子器件 4. 在同一片石墨烯上集成整个电路 5. 其它潜在应用包括：复合材料；作为电池电极材料以提高
电池效率、储氢材料领域、场发射材料、量子计算机以及 超灵敏传感器等领域 6. 可应用于各种器件的特殊性能要被精确的控制 7. 最重要的是石墨烯制备方法的改进，如何大量、低成本制 备高质量的石墨烯材料应该是未来研究的一个重点