石墨烯基納米導電復合材料的制備與應用

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1、題目：石墨烯基納米導電復合材料的制備與應用一、前呂1課題研究的意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.1課題的研究意義石墨烯是一種具有二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)新材料⑴，它是構(gòu)建其他維數(shù)碳質(zhì)材料（如零維富勒烯、一維納米碳管、三維石墨）的基本單元，它可圍裹形成零維的富勒烯，卷曲形成一維的碳納米管，堆砌積形成三維的石墨。單層石墨烯的厚度僅為0.3?0.5nnV2］。單層石墨烯層面內(nèi)碳原子之間的共價鍵是由一個2s電子和兩個2p電子采用雜化⑶形成。鍵，且鍵與鍵之間的夾角互成120°,鍵長為1.42A,每個碳原子與相鄰三個碳原子結(jié)合形成六元環(huán)結(jié)構(gòu)，每個碳原子剩余的一個未參加雜化的pz軌道的電子在垂

2、直于碳平面的方向上，與近鄰的未參加雜化的pz軌道電子通過共價鍵的作用構(gòu)成71帶。碳原子之間相互圍成止六邊形平面蜂窩狀品格結(jié)構(gòu)3】。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯具有優(yōu)良的電學性能，電子在石墨烯上傳輸?shù)淖枇苄、?，它在石墨烯中的傳導速度比在硅中的?00倍，移動速度達到光速的1/3000,石墨烯在室溫下還具有高速的電子遷移率（15000cm2/（V?s））o另外，由于量子效應的限制，以硅為核心的傳統(tǒng)微電子器件面臨無法避免的困境，對于新一代運輸器件的研究成為凝聚態(tài)物理的熱點之一，1991年碳納米管的發(fā)現(xiàn)，使得人們開始設(shè)想利用基于碳的各種輸運體系代替?zhèn)鹘y(tǒng)的半導體材料。而石墨烯材料的理論比表面積高達

3、2600m2/g,且具有突出的導熱性能（3000W/（m-K））和力學性能（1060GPa）,石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)，使其具有完美的量子隧道效應、半整數(shù)的量子霍爾效應、從不消失的電導率等一系列性質(zhì)。石墨烯憑借其特殊的結(jié)構(gòu)和優(yōu)界的電學性能已經(jīng)引起實騎和理論研究者的廣泛關(guān)注，被認為是硅的可行性替代材料之一，有望應用在納米電子器件、自旋電子器件、超級電容器以及光電器件等方面。服醛樹脂是由尿素與甲醛在催化劑（堿性催化劑或酸性催化劑）的作用下縮聚形成。首先縮聚形成初期服醛樹脂，然后再在固化劑或助劑作用下，形成不溶、不熔的末期樹脂。該膠于1844年由B.Tollens首次合成，1929年徳國染料公

4、司（IG公司）獲得服醛樹脂用于膠接木材的專利，服醛樹脂在木材方面的應用被開發(fā)之后,它在膠合板與刨花板上的應用就找到了迅速發(fā)展口。由于其制造工藝簡單，原料廉價易得，初粘性大，粘接強度高，不污染木材等優(yōu)點，已廣泛應用于木器加工、膠合板、刨花板、中密度纖維板、人造板材的生產(chǎn)及室內(nèi)裝修等行業(yè)，是目前粘合劑中產(chǎn)量最大的品種，占木材膠粘劑總產(chǎn)量的80%左右。但是，此樹脂的電絕緣性能非常好，在加工和使用過程中，非常容易產(chǎn)生靜電,并且不容易消失⑴1,這些電荷的積聚將可能造成很大的危害。當物體所帶電荷在空間所產(chǎn)生的電場強度超過介質(zhì)的擊穿強度時，就會發(fā)生靜電放電。靜電放電可成為可燃性氣體或粉塵的點火

5、源而引起爆炸和火災。帶電體發(fā)生靜電放電時，其靜電能全部或大部分在放電空間（即有靜電場存在的空間內(nèi)）消耗掉，從而使這一空間的可燃性氣體溫度升高，若可燃性氣體濃度達到爆炸濃度范圍，且靜電能的值達到可燃性氣體和空氣混合氣體的最小點火能量時，則發(fā)生火災和爆炸。靜電現(xiàn)象在聚合物的生產(chǎn)、加工和使用過程中是非常普遍的。所以增強月尿醛樹脂材料的抗靜電性能變得至關(guān)重耍。耍做到消除此樹脂的靜電危害，就必須對它進行抗靜電改性，從而提高其面電阻，增強其導電性。鑒于石墨烯具有優(yōu)良的導電性，本文考慮將導電的石墨烯摻雜到服醛樹脂中以消除其靜電危害。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展121石墨烯的研究現(xiàn)狀和進展國內(nèi)研究

6、現(xiàn)狀和進展：2008年，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室高鴻鈞研究組成功制備了毫米級高度有序的、連續(xù)的、單晶的石墨烯。研究組博士生潘毅等人通過優(yōu)化生長條件獲得了理想的毫米級外延石墨烯二維單晶材料，以詳盡的實驗與理論研究對此進行了證實。能電子衍射結(jié)果證實了石墨烯樣品的毫米級的高度有序性。掃描隧道顯微鏡的研究結(jié)果表明石墨烯在襯底表而形成六角排布Moire超結(jié)構(gòu)，高分辨的圖顯示了這種超結(jié)構(gòu)原胞內(nèi)每個原子的位置，并且證實了石墨烯薄膜沿襯底臺階的連續(xù)性生長。這種高質(zhì)量的石墨烯二維量子結(jié)構(gòu)的獲得是我國科學家在該研究領(lǐng)域中獨具特色的工作，為石墨烯基礎(chǔ)問題的深入研究及其進一步在器件方而

7、的應用提供了一種新方法和理想體系。2009年，中科院電工所馬衍偉課題組在石墨烯的制備與分散研究方而取得重要進展。該論文首次報道了采用對苯二胺還原氧化石墨納米片，成功制備岀高穩(wěn)定性有機溶劑分散的石墨烯材料，并采用電泳沉積法獲得了高導電性的石墨烯薄膜，其導電率為150S/cmo此方法制備的石墨烯分散性能好、產(chǎn)率高、導電性能好且成本低，將有望應用于超級電容器和復合功能材料等領(lǐng)域。2009年，科學家實現(xiàn)了對石墨烯組成的控制，成功地制備出了氮摻雜石墨烯。摻雜是調(diào)控石墨烯電學性能的一種有效手