【复材前沿】石墨烯复合材料的类别和应用概况

材料的发展与时代的发展息息相关。随着时代的不断进步，人们对材料有着越来越高的 要求，传统单一属性的材料已经越来越满足不了工业发展的需求，寻求具有优秀综合性能的 材料显得十分关键。

自2004年英国曼彻斯顿大学的Geim和Novoselve通过胶带剥离高定向石墨获得了独立存在的二维石墨烯晶体以来，石墨烯已经成为材料科学领域极受关注的研究热点之一。石墨烯，实际上就是单原子层的石墨，它拥有独特的二维结构和优异的力学、热力学、光学和电学性能，因此，它可成为多种功能性复合材料的重要组成部分。自2006年Ruoff等提出石墨烯可以通过化学方法大规模低成本生产以来，基于石墨烯的复合材料成为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，而随着对石墨烯研究的深入，石墨烯增强体在块体金属基复合材料中的应用也越来越受到人们的重视。石墨烯制成的多功能聚合物复合材料、高强度多孔陶瓷材料，增强了复合材料的许多特殊性能。下面分别简单介绍一下目前应用的这几种石墨烯复合材料。

1. 石墨烯聚合物复合材料

在聚合物基底中添加适量的石墨烯，克服了一般无机填 料使用量大且不能兼顾刚性、耐热性、尺寸稳定性与韧性的缺点，使聚合物的力学性能、热力学性能以及流变性能显著 提高。石墨烯与聚合物基底复合后可以使复合材料的热膨胀系数降低，热导率大大增加。

由于无机纳米粒子的存在可使石墨烯片层间距增加到几个纳米，从而大大减小石墨烯 片层之间的相互作用，因此用无机纳米粒子修饰石墨烯片提供了一条阻止石墨烯片团聚的崭新途径。从另一个角度看，石墨烯基无机纳米复合材料不但可以同时保持石墨烯和无机纳米粒子的固有特性，而且能够产生新颖的协同效应，具有广泛的应用价值。

石墨烯增强体是关注的热点，石墨烯在电学、热学、 力学、光学等方面均具有优异的性能。因此，石墨烯作为一种理想的增强相，在金属基复合材料领域具有光明的应用前景。金属基复合材料可以弥补纯金属在单一方面性能的不足，具有比单一基体更优异的性能；石墨烯/金属基复合材料（Gr -MMC）在航空航天、汽车、电子和军事领域有着广泛的应用。

综上可见，石墨烯可以成为复合材料中的功能性组分， 制得的各种石墨烯基复合材料具有优异的电学、光学、力学 和热学性能，被广泛应用于催化、高强度材料、电子、能源转换和储存、生物技术、生化传感器等领域。

此外，材料的电导率和导热率的提高对它们的许多应用也是有益的。一些石墨烯增强弹性体已经可以在市场上买得到并且已经加工成产品。这些产品包括高性能运动鞋运动装备、自行车轮胎、可回收的地垫等。Folsom Custom Skis公司（美国科罗拉多州丹佛市），近期在其最新的超轻碳纤维复合材料旅行滑雪板系列产品中使用了石墨烯添加剂，该公司基于最初的原型设计和测试，对滑雪板进行了重新设计，以充分发挥石墨烯的性能优势。经过机械和实地测试，石墨烯增强滑雪板于2022年作为UltraLite结构风格推出，可用于 Folsom公司的任何滑雪板形状。除了减轻重量之外，与Folsom公司以前的旅行滑雪板相比，UltraLite滑雪板还具有其他的优势，例如更高的强度、更强大的性能、更好的减振性和低分层风险，因为E-GO可以显著提升材料和增强环氧树脂之间的附着力。

石墨烯复合材料的研发标志着人类在材料方面的研究又迈出了新的一步，石墨烯复合材料的结构相对稳定，性能优良，未来的应用领域广泛，应用前景良好。因此，未来我国在复合材料研发领域发展上需要加强对石墨烯复合材料的重视程度，从其制备方法、结构与性能等角度出发对石墨烯复合材料实施优化，进而促进我国在材料工程领域新的发展。

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