石墨烯微机械剥离制备机制研究及其应用

石墨烯具有优异的电、光和力学性能，可以在场发射晶体管核心材料，太阳能电池电极，在液晶显示器中的透明导电玻璃板、微波吸收复合材料等领域有者广阔的应用前景，使得对石墨烯材料的制备技术成为一个十分重要的课题。.本项目从分粉体加工的角度出发提出了通过对对石墨原料进行极限插层处理、微机械剥离过程控制结合分散剂来制备高质量石墨烯，最后进行合成石墨烯复合粉体，然后采用SPS快速烧结制备块体材料。重点研究施主和受主插层剂的选择及其氧化还原化学反应动力学过程、微机械剥离机制和分散剂与石墨烯相互作用机理，阐明内在的相关机制，建立高质量石墨烯粉体的宏量制备技术，为其广泛应用奠定基础。

本项目首先从原料加工的角度出发提出了通过对石墨原料进行热膨胀处理、机械剥离法以及化学法来制备宏量多层石墨烯材料。然后与基体复合制备石墨烯复合粉体，采用SPS快速烧结制备陶瓷块体材料。在本项目执行期间，项目组成员先后采用加热炉快速加热法和微波加热法制备了膨胀石墨，通过表征得到了简单易于操作且质量较好的膨胀石墨，为下一步机械剥离及其复合奠定了基础。同时，我们还采用了不同的方法（如超声剥离和化学法）制备了宏量石墨烯材料，较薄的石墨烯片层厚度仅为1.2nm，也就是说片层中仅含4层石墨烯，这为下一步得到更好的复合材料提供了很好的原料。与基体的复合阶段，我们首先采用机械剥离法（即球磨法），最终选用甲基吡咯烷酮（NMP）为分散剂，膨胀石墨为添加相，石英和氧化铝纳米粉体为基体制备了分散均匀的石墨烯复合材料，通过SPS快速烧结得到块体。结果表明，与纯氧化铝相比，石墨烯的加入大大抑制了氧化铝晶粒的生长，平均晶粒尺寸从1-2µm减小到了100-500nm。石墨烯的加入使得复合陶瓷的介电常数和介电损耗均得到明显的增加。在1MHz时，纯的石英介电常数约为3.8，而加入石墨烯后，复合陶瓷的介电常数增加到6.9-250，介电损耗增加了4个数量级。石墨烯片层的加入也明显提高了复合陶瓷的力学性能，抗弯强度，维氏硬度和断裂韧性分别提高了103%，26%，25%。此外，我们还采用了对位滴定法制备了不同含量的氧化石墨（GO）/Al2O3纳米复合材料，通过SPS烧结，GO热还原成石墨烯，最终得到多层石墨烯（FG）/Al2O3复合陶瓷材料。由于质量较好的石墨烯在基体中很好的分散，使得复合材料的渗流阈值很小，仅0.38vol.%，电导率在2.35.vol.%时就达到了103Sm-1，同时，石墨烯含量较高时载流子类型从p型转变成了n型。该研究工作不仅为宏量石墨烯材料的制备技术提供了思路，研究结果对研究其他陶瓷材料同样具有重要的指导和借鉴意义。在本项目的资助下，已经在Advanced Functional Materials、Carbon、Applied Physics A等期刊上发表研究论文5篇，投稿论文1篇。发明专利已授权2项。