石墨烯纳米复合材料

石墨烯由于具有优异力学、热学、电学和其他物理、化学性质，加上它的二维平面形态学结构以及相对较低的制备成本，使其成为纳米复合材料的理想增强体。对聚合物基、陶瓷基和金属基石墨烯纳米复合材料的研究已经表明，石墨烯比起其他纳米碳，例如碳纳米管和纳米碳纤维，对复合材料的增强和功能化以及经济成本降低等方面都具有更强的优势。尽管研究历史仅仅只有短短的10余年，当前，石墨烯纳米复合材料已经成为材料研究领域的热点之一。国内外相关研究论文和专利逐年增长，丰硕的研究成果大都分散发表于众多的学术期刊中。显然，一本包含这类复合材料制备、性质、结构和表征等方面的综合评述的书籍对已经和试图从事该领域研究、生产的科技工作者和相关管理人员是有益的。

    本书内容主要有关于聚合物基石墨烯纳米复合材料，也涉及部分陶瓷基和金属基复合材料。

本书共分8章。第1章简述石墨烯的结构、性质、制备和表征方法。基于成本和复合材料制备技术的要求，用于石墨烯纳米复合材料制备的增强材料大都使用氧化石墨烯或功能化石墨烯，而不是纯石墨烯。第2章阐述有关氧化石墨烯和功能化石墨烯的制备、性质、结构和相关的表征方法。聚合物基石墨烯纳米复合材料是本书的主要内容，安排在第3～7章。第3章涉及这类复合材料的制备、结构和表征。第4章和第5章分述聚合物基复合材料的宏观和微观力学性能（界面力学行为）。这类复合材料的其他物理性质，包括热学、电学、阻燃和屏蔽性质，安排在第6章。柔性（可穿戴）复合材料是聚合物基复合材料中具有特殊性能的一类，具有巨大的应用价值，第7章阐述了这类复合材料的基本概念，制备方法（包括石墨烯纤维的制备），柔性及可穿戴传感器的传感机制和应用等。主要由于制备方面的困难，对陶瓷基和金属基石墨烯纳米复合材料的研究相对起步较晚，第8章包含了对这类复合材料研究的成果。本书第7章由吴琪琳撰写，其余各章由杨序纲完成。

    各章节都列出重要的参考文献，可供读者对相关课题作延伸阅读。

本书内容涉及广泛的学科领域，由于编著者学识有限，书中不当之处，恳请读者批评指正。

本书得到了国家重点研发计划项目2016YFB0303201、纤维材料改性国家重点实验室重点项目（碳材料）的支持。程朝歌、姜可茂、冉敏、宋芸佳、苏晗、夏铭、贾立双等研究生参与了资料搜集、图表设计等方面的工作，在此一并表示感谢。

编著者

2017年12月于上海

第1章石墨烯001

1.1概述001

1.2石墨烯的结构和基本性质004

1.2.1石墨烯的结构004

1.2.2石墨烯的物理性质006

1.2.3石墨烯的化学性质008

1.3石墨烯的制备008

1.3.1剥离法008

1.3.2外延生长法009

1.3.3化学气相沉积法011

1.3.4氧化还原法013

1.4石墨烯的表征015

1.4.1拉曼光谱术015

1.4.2电子显微术、电子衍射花样和电子能量损失谱023

1.4.3原子力显微术和扫描隧道显微术026

1.4.4光学显微术029

1.4.5成分分析030

参考文献034

第2章氧化石墨烯和功能化石墨烯040

2.1概述040

2.2氧化石墨烯040

2.2.1氧化石墨烯的制备041

2.2.2氧化石墨烯的表征042

2.2.3氧化石墨烯的性质048

2.3功能化石墨烯051

2.3.1共价键功能化051

2.3.2非共价键功能化057

2.3.3无机纳米颗粒功能化059

2.3.4纳米碳功能化060

2.3.5功能化石墨烯的表征067

参考文献082

第3章石墨烯/聚合物纳米复合材料的制备与表征087

3.1概述087

3.2熔融共混法089

3.2.1概述089

3.2.2典型流程和增容剂的作用090

3.2.3橡胶基纳米复合材料092

3.3溶液共混法101

3.3.1概述101

3.3.2溶液共混102

3.3.3胶乳共混107

3.3.4功能化石墨烯的使用108

3.4原位聚合法110

3.4.1概述110

3.4.2环氧树脂基纳米复合材料111

3.4.3聚氨酯基纳米复合材料112

3.4.4聚酰胺6基纳米复合材料116

3.4.5聚苯乙烯基纳米复合材料121

3.4.6聚甲基丙烯酸甲酯基纳米复合材料124

参考文献128

第4章石墨烯/聚合物纳米复合材料的力学性能133

4.1概述133

4.2拉伸力学性能134

4.2.1拉伸力学性能的表征134

4.2.2应力-应变曲线134

4.2.3石墨烯片大小对复合材料力学性能的影响139

4.2.4石墨烯片取向对复合材料力学性能的影响141

4.3力学性能的理论预测147

4.3.1Halpin-Tsai模型147

4.3.2均匀应力-均匀应变模型150

4.3.3Mori-Tanaka模型150

4.4动态力学性能151

4.5抗压曲性能153

4.6断裂韧性155

4.6.1韧性的定量描述155

4.6.2环氧树脂基纳米复合材料157

4.6.3聚酰胺基纳米复合材料161

4.6.4石墨烯/碳纳米管/PVA纳米复合材料163

4.6.5高强度、高韧性纳米复合材料164

4.7增韧机制167

4.7.1裂纹转向167

4.7.2裂纹钉扎168

4.7.3脱结合和拉出169

4.7.4裂纹搭桥172

4.7.5微开裂和塑性区分支174

4.7.6裂纹尖端的钝化174

4.7.7断裂机制的表征174

4.8疲劳阻抗176

4.8.1疲劳阻抗的表征176

4.8.2环氧树脂基纳米复合材料的抗疲劳性能177

4.9抗磨损性能178

参考文献180

第5章石墨烯/聚合物纳米复合材料的界面行为185

5.1概述185

5.2界面行为的表征技术186

5.2.1界面微结构的表征技术186

5.2.2界面力学行为的表征技术191

5.3石墨烯的拉曼峰行为对应变的响应198

5.3.1实验方法198

5.3.2峰频移与应变的函数关系199

5.4界面应力传递202

5.4.1Cox模型剪切-滞后理论的有效性202

5.4.2应变分布和界面剪切应力203

5.4.3石墨烯尺寸206

5.4.4应变图206

5.4.5压缩负荷下的界面应力传递207

5.4.6石墨烯片层数209

5.5PDMS基纳米复合材料的界面应力传递215

5.6氧化石墨烯纳米复合材料的界面应力传递218

参考文献220

第6章石墨烯/聚合物纳米复合材料的物理性质224

6.1热学性质224

6.1.1导热性质224

6.1.2热稳定性230

6.1.3尺寸稳定性240

6.1.4阻燃性240

6.2电学性质247

6.2.1导电性质247

6.2.2介电性质262

6.3屏蔽性质264

6.3.1气体屏蔽265

6.3.2液体屏蔽271

6.3.3电磁屏蔽271

参考文献271

第7章石墨烯基柔性可穿戴材料277

7.1引言277

7.2柔性传感器277

7.2.1测量原理及传感器形式277

7.2.2柔性传感器结构组成278

7.2.3柔性电子应变传感器的传感机制280

7.3石墨烯膜柔性材料的制备方法281

7.3.1石墨烯溶液成膜282

7.3.2CVD法成膜284

7.4石墨烯纤维285

7.4.1石墨烯纤维制备286

7.4.2石墨烯纤维的性能291

7.5应用297

7.5.1触觉传感297

7.5.2电子皮肤及人造肌肉298

7.5.3人体健康监测和医疗302

7.5.4表情识别304

7.5.5语音识别304

7.5.6智能服装306

参考文献310

第8章陶瓷基和金属基纳米复合材料315

8.1概述315

8.2石墨烯在陶瓷基体中的分散316

8.2.1分散剂及其作用316

8.2.2超声波分散317

8.2.3球磨分散319

8.2.4搅拌分散322

8.3石墨烯/陶瓷复合材料粉体的制备方法323

8.3.1粉末工艺323

8.3.2胶体工艺326

8.3.3溶胶-凝胶工艺326

8.3.4聚合物衍生陶瓷328

8.3.5分子层级混合330

8.4石墨烯/陶瓷复合材料的烧结332

8.4.1概述332

8.4.2放电等离子体烧结332

8.4.3高频感应加热烧结336

8.4.4快速烧结337

8.5几种典型的制备方法337

8.6石墨烯/陶瓷复合材料的力学性能339

8.6.1概述339

8.6.2断裂韧性的表征方法341

8.6.3断裂韧性和增韧机制343

8.6.4摩擦行为354

8.7石墨烯/陶瓷复合材料的电学性质358

8.8金属基复合材料360

8.8.1概述360

8.8.2石墨烯/铜复合材料361

8.8.3石墨烯/铝复合材料364

8.9微观结构的表征方法368

8.9.1SEM368

8.9.2TEM370

8.9.3拉曼光谱术372

参考文献375