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材料科学论文

第一篇：材料科学论文石墨烯的最新研究进展及应用石墨烯的最新研究进展及应用摘要：石墨烯以优越的性能和独特的二维结构成为研究的热点，本文以材料四要素来分析石墨烯的加工制备，各种热学，力学，电学，光学性能，由于单纯石墨烯的使用效能在单品中作用有限，因此另加介绍了石墨烯复合材料的制备和性能。由于中国科学家在石墨炔也取得突破，所以也附加介绍以用来比较石墨烯的特点。石墨烯的发现；石墨烯（是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯是当今世界上最薄的材料，也是世界上导电性最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。石墨烯具有特殊的单原子层结构和新奇的物理性质: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)、高透明度(约97.7%)、比表面积理论计算值为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性质。最近几年国外对石墨烯的研究如火如荼的进行，国内也引起强大的反响。因此结合材料的知识，对其研究进行简略的介绍。（一）石墨烯的制备石墨烯的最新研究进展及应用石墨烯在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法—机械剥离法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，晶体外延生长法、化学气相沉积法、液相直接剥离法以及高温脱氧和化学还原法等。我国的科研工作者通过化学气相沉积法，利用烃类作为碳源，通过化学气相沉积把单层碳原子附在金属表层，这是一种可以为工业大规模制取石墨烯的方法。化学气相沉积法相比，等离子体增强化学气相沉积法可在更低的沉积温度和更短的反应时间内制备出单层石墨烯。此外晶体外延生长法通过加热单晶6H-SiC脱除Si,从而得到在SiC表面外延生长的石墨烯，但这种方法无法获得大规模，层面单一的石墨烯。氧化石墨还原法,成为实验室制备石墨烯最简单的方法。（二）石墨烯的优秀性能2.1力学性能石墨烯具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层。碳原子之间由σ键连接，结合方式为sp2杂化，这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石。2.2电学性能石墨烯的最新研究进展及应用石墨烯最重要的性质之一就是它独特的载流子特性和无质量的狄拉克费米子属性。石墨烯的价带和导带部分相重叠于费米能级处,是能隙为零的二维半导体,载流子可不通过散射在亚微米距离内运动,为目前发现的电阻率最小的材料。石墨烯内部电子输运的抗干扰能力很强,其电子迁移率在室温下可超过15000cm2/(V·s)[46],而当载流子密度低于5×109cm-2时,低温悬浮石墨烯的电子迁移率首次被发现可以接近200000cm2/(V·s)。单层石墨烯中载流子迁移率几乎不受化学掺杂和温度的影响。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。2,3光学性能单层悬浮石墨烯的白光吸收率是2.3%,而且吸收率随着层数的变化呈线性增加。2.4热学性能单层悬浮石墨烯的室温热传导率可达到3000~5000W/(m·K)，石墨烯的热导率是如今在电子领域广泛应用的铜的2倍和硅的50倍。（三）石墨烯的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、电子器件、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,因此本文对石墨烯复合材料的最新研究进展做详细介绍。3.1石墨烯聚合物石墨烯的最新研究进展及应用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。3.1．1石墨烯填充聚合物复合材料通过溶液混合、熔融共混和原位聚合等方法，我们可以来制备石墨烯复合材料，石墨烯的分散性和聚合物基体的相互作用是影响复合材料性能的主要因素。例如通