石墨烯及其复合材料的制备及性能研究进展 (2011年)

石墨烯是一种新型碳材料，因其独特的结构和卓越的综合性能，在众多领域展现出重要的应用前景。石墨烯是由单层碳原子紧密排列形成的二维材料，厚度仅为0.335纳米，是目前世界上最薄的二维材料。它的性质卓越，具有高强度、高热导率、高载流子迁移率，以及超大比表面积等特点。 石墨烯的力学性能表现为强度高达130GPa，比世界上最优秀的钢材还要高出100倍，因此被认为是最强的材料之一。热学性能方面，石墨烯的热导率可达到5000W/m·K，是金刚石的三倍。电学性能上，石墨烯的载流子迁移率最高可达15000cm²/V·s，是商用硅片的十倍以上，使得电子在石墨烯中的运动速度远超过一般导体。此外，石墨烯还拥有室温量子霍尔效应和超大比表面积（2630m²/g），使其在微电子、能源、信息、材料和生物医药等领域具有潜在的重大应用价值。 石墨烯的制备方法是研究的关键所在，文中综述了石墨烯的几种主要制备方法，并分析了各自的优缺点。主要制备方法包括微机械剥离法、化学气相沉积（CVD）法、氧化还原法和硅碳化合物热解法等。微机械剥离法操作简单、成本低廉，但产量低且无法大规模生产。化学气相沉积法可制备大面积的石墨烯薄膜，质量较好，但是设备成本高，工艺控制复杂。氧化还原法可实现批量生产，但石墨烯的品质不如前两者。硅碳化合物热解法能够在硅基底上制备高质量石墨烯，但同样面临成本和大规模生产的问题。 石墨烯复合材料是将石墨烯与其他材料结合，以期达到更好的性能和功能。研究者对石墨烯复合材料的研究进展进行了总结，并展望了未来的研究热点，比如石墨烯在复合材料中的分散性、与其他材料的界面作用机制、复合材料的性能调控等。石墨烯复合材料的研究将有助于拓宽石墨烯在实际应用中的范围，解决单一石墨烯材料在某些方面性能的局限性。 由于石墨烯及其复合材料在各方面的巨大潜力，它们被认为是未来发展的重要方向。石墨烯相关的研究正在如火如荼地进行，不仅科学界给予了高度关注，企业界也在探索将石墨烯应用到具体产品中的可能性。然而，石墨烯的大规模制备、成本控制、复合材料性能优化等问题依旧是当前研究的主要挑战。未来的研究工作需要深入探讨这些问题，以期推动石墨烯从实验室走向应用市场。