[發明專利]石墨烯復合材料

有效

• 申請號: 201380015769.4
• 申請日: 2013-01-31
• 公開（公告）號: CN104204056A
• 公開（公告）日: 2014-12-10
• 發明（設計）人: 伊恩·金洛克;羅伯特·揚;磊·龔
• 申請（專利權）人: 曼徹斯特大學
• 主分類號: C08K3/04
• 分類號: C08K3/04;C01B31/04
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司 11262
• 代理人: 蘇蕾;鄭霞

本發明涉及新穎的納米復合材料、制造納米復合材料的方法以及納米復合材料的用途。特別地，本發明涉及包含以多層形式的石墨烯即具有若干原子層的石墨烯的復合材料。

早前本領域的設想是，當試圖把石墨烯卓越的機械性質引入到復合材料內時，把單層石墨烯并入到復合材料中(即聚合物復合材料)將會導致最好的機械性質。這是由于單層石墨烯的機械性質比多層石墨烯的機械性質好。驚人地，我們已經發現多層(例如雙層、三層等等)石墨烯的并入可以導致具有與具有單層石墨烯的復合材料一樣好或更好的機械性質的復合材料。因此，本發明使用包括具有多層的材料的石墨烯。本發明的石墨烯可以以常規方式并且如文獻中描述被化學功能化。

驚人地，我們還已經發現在實踐中新穎的多層石墨烯和/或功能化石墨烯實際上更易于分布在復合材料的基體中。這轉而意味著當形成復合材料時較高水平的石墨烯可以被使用。一個意想不到的結果是我們已經發現用于復合材料的最佳性質可以從若干層即多層石墨烯材料的使用中獲得。本發明的復合材料的另外的優點是，生產它們比生產包括單層石墨烯或功能化石墨烯的那些復合材料更便宜。我們已經制備如以下描述的若干復合材料并且使用拉曼光譜學來表征它們。

本發明的新穎的材料滿足的某些更重要的性質涉及強度和模量。然而，復合材料有其他有利性質。這些中的某些依賴于顆粒間的連通性(例如：靜電耗散)或片晶之間的彎曲路徑(例如：屏障)的產生。通過我們的新穎的復合材料滿足的某些另外的性質在下面列出并且復合材料可以在某些或所有的這些性質中呈現出改進，這取決于討論中的復合材料的特定組成。

本發明中所關心的性質可以被分成兩個列表。第一列表涉及與機械特性有關并且從復合材料的新穎的構造中受益的那些性質。這些性質包括：強度、模量、抗裂性、疲勞性能、耐磨性和耐劃傷性、以及斷裂韌度。第二列表涉及另外的(即非機械)性質，所述另外的(即非機械)性質可能從復合材料的新穎的構造中受益并且包括：耐化學性、電屏蔽和電磁屏蔽、氣體屏障性質和液體屏障性質、導熱性以及耐火性。我們表明根據本發明的新穎的復合材料在上述性質的一種或更多種中具有改進。

石墨烯是最堅硬的已知材料之一，具有1TPa的楊氏(Young’s)模量，使其成為用作高性能復合材料中的加固物的理想候選物。

自從石墨烯在2004年被首次分離[K.S.Novoselov,A.K.Geim,S.V.Morozov,D.Jiang,Y.Zhang,S.V.Dubonos?I.V.Grigorieva,A.A.Firsov,Science,2004,306,666]以來，大部分的研究工作已經集中于針對比如在電子裝置中的應用的其電子性質上。一項研究[C.Lee,X.D.Wei,J.W.Kysar,J.Hone,Science,2008,321,385]還已經通過原子力顯微鏡學利用納米壓痕研究單層石墨烯的彈性機械性質。被示出的是，材料具有1TPa的數量級的楊氏模量和大約130GPa的內在強度，這使其成為曾測量過的最強的材料。

碳納米管作為納米復合材料中的加固物處于積極研究中，并且已知的是片晶加固物比如剝離型納米粘土(exfoliated?nanoclay)可以被用作添加劑以增強聚合物的機械性質和其它性質。最近已經證明的是，用化學處理過的石墨烯氧化物作為加固物的基于聚合物的納米復合材料可以在電子性質和機械性質兩者中都顯示出顯著的改進(因而，對于在聚(甲基丙烯酸甲酯)基體中按重量計僅1％負荷的化學處理過的石墨烯氧化物，在玻璃轉化溫度上30K的增加被實現)，如從T.Ramanathan,A.A.Abdala,S.Stankovich,D.A.Dikin,M.Herrera-Alonso,R.D.Piner,D.H.Adamson,H.C.Schniepp,X.Chen,R.S.Ruoff,S.T.Nguyen,I.A.Aksay,R.K.Prud'homme,L.C.Brinson,Nature?Nanotechnology,2008,3,327中可以看出。