純石墨烯是一種僅一個原子厚的結晶體，厚度為0135nm左右，具有超薄、超堅固和超強導熱導電性能等特性和優異的力學性能，可望在高性能電子器件、復合材料、場發射材料、氣體傳感器及能量存儲等領域獲得廣泛應用。

石墨烯的基本結構單元為有機材料中最穩定的苯六元環，是目前最理想的二維納米材料。超聲波剝離氧化石墨（graphiteoxide）得到的氧化石墨烯（grapheneoxide）不能穩定存在于正常環境條件下。石墨烯原子在不停的振動，且振動的幅度有可能超過其厚度。Meyer和Geim等研究表明石墨烯在第三維上經波動后，結構變得相當穩固，尤其是單層石墨烯為降低其表面能，由二維向三維形貌轉換，褶皺是二維石墨烯存在的必要條件。

石墨烯具有極高導熱系數，近來被提倡用于散熱等方面，在散熱片中嵌入石墨烯或數層石墨烯FLG可使得其局部熱點溫度大幅下降。故需要對其導熱性能進行深入研究。

納米材料導熱性的發展很緩慢，部分原因在于實驗測試及納米尺度上控制熱傳導存在一定的困難。具有納米尺度高分辨率的原子力顯微鏡已經用于測試納米結構的熱傳導，提供了一種探測納米結構熱性能的可行性方法，但納米結構的熱傳輸理論模擬與分析仍然處于探索中。已知的可行性方法包括Fourier定律的數解，以及基于波爾茲曼Boltzmann傳輸方程和分子動力學Molecular-dynamics（MD）模擬的分析方法都存在各自局限性。當材料的尺寸降至納米尺度時，溫度也變得較不穩定。在平衡系統中，溫度是基于材料的平均能量做出的定義，對于石墨烯等納米系統，材料的尺寸太小，很難確定局部溫度。所以不能將平衡條件下的溫度概念運用于納米材料，以至于較難進行納米尺度的熱傳導的理論分析。

石墨烯是碳原子以sp2雜化鍵合而成的蜂窩狀二維材料，其基本結構單元是有機材料中最穩定的六元環。這種獨特的結構使其具有許多優異的特性，如：熱導率很高，在3000 W·（m·K）-1左右；導電性能優異，載流子遷移率可達2×105 cm2·（V·s）-1；并且質量輕，比表面積理論值為2630 m2/g，楊氏模量達1.0 TPa，力學性能可與碳納米管相媲美。石墨烯原料易得，且制備工藝與可加工性也在不斷改善。根據石墨烯性能優異、成本低廉的特點，可將其功能化后用于開發各種高性能聚合物復合材料。

石墨烯簡介

2004年，Geim等首次發現一種新型二維原子晶體——石墨烯（graphene，簡稱GR）。他們采用機械剝離法，用普通膠帶將石墨烯從石墨中成功剝離出來，并對其進行了觀測。至此，碳材料擁有了零維的富勒烯、一維的CNTs、二維的石墨烯以及三維的金剛石和石墨的完整體系。

石墨烯的結構

石墨烯是由碳原子以sp2雜化連接的單原子層，具有單原子厚度（理論上僅為0.35 nm）的蜂窩狀二維網格結構，如圖1所示。

圖1 GR結構示意圖

具體說來，石墨烯間彼此相鄰的碳原子形成σ鍵，而碳原子通過sp2雜化，并基于未成鍵的π電子及p空軌道，構成大π鍵，（如圖2所示）石墨烯的基本結構單元是有機材料中最穩定的六元環。但是，石墨烯并非一個完美且平整的二維結構薄膜，其表面存在大量的微觀起伏，即褶皺。

圖2 GR面內σ鍵和垂直面π鍵軌跡

石墨烯的性能及應用

石墨烯的獨特結構特征賦予了其諸多的優異性能，也因此獲得廣闊的應用前景。但一般制備所得的石墨烯層數較多，厚度有幾十納米，其性能不及單層石墨烯。

力學性能

石墨烯力學性能突出表現為高強度、高模量。石墨烯的強度達130 GPa，是普通鋼材料的100倍左右。同時，其抗拉強度高達125 GPa，彈性模量達1.1 TPa，并且質量輕，比表面積理論值為2630 m2/g，楊氏模量達1.0 TPa。

石墨烯硬度比莫氏硬度10級的金剛石還高，但還具有很好的韌性，且可以彎曲，延展性優異。

電學性能

由于石墨烯平面內的π軌道，電子可在晶體中自由移動，而且其結構非常穩定，內部碳原子之間柔韌連接，當有外力施加時，碳原子面會彎曲變形，但碳原子不會重新排列，這種穩定的晶格結構確保了其優異的導電性。

而其能帶結構特殊，空穴和電子相互分離，因此導致了新電子傳導現象。Novoselov等觀察到石墨烯的室溫量子霍爾效應，其無質量狄拉克-費米子型載流子的遷移率，在200000 cm2/V·s左右。而Heersche等實驗發現，石墨烯具有超導特性。同時，石墨烯在雙極性電場效應中有突出的性質，具有彈道傳輸特性（300K下可達0.3μm），并且基本不受溫度以及摻雜效應影響。

石墨烯優異的電學性能可應用于電子運輸器件、太陽能或鋰離子電池、超級電容器等等。而石墨烯中的電子為標準的狄拉克-費米子，這使得石墨烯可以成為良好的物理實驗平臺，用于檢驗研究量子電動力學。

熱性能

石墨烯熱性能優異，具體表現在高熱導率和負熱膨脹系數。理論上，單層石墨烯的熱導率高達6000W/mK左右，而實際實驗測得的單層和多層石墨烯的熱導率分別在5000W/mK和3000W/mK左右。可見，石墨烯的熱導率遠高于室溫下銅（398 W/mK）、銀（427W/mK）、金（315W/mK）的熱導率，甚至比碳納米管和金剛石（2000W/mK）更優。

不同片層大小石墨烯的性能及應用

片層的橫向尺寸對控制石墨烯基材料的微觀結構和性質起重要作用。一般，縮小石墨烯片層的尺寸分布可以改善宏觀石墨烯材料的特性。而無論是大或小的片層都具有其各自的優勢，大片層的石墨烯可用于制造基于石墨烯的三維網絡，2D分層體系結構，和光電子器件的導電薄膜［10］。在這些情況下，石墨烯片層越大，和其他片層的聯結點越少，接觸電阻越小。而小片層的石墨烯，以其更突出的電化學活性的生物相容性，更適合用于感測及生物方面的應用。而且，石墨烯材料的電導率與熱導率和石墨烯的片層尺寸有極大的關系。例如，一般情況下，大片層石墨烯的電導率比小片層高。

石墨烯的制備

最初，人們采用微機械剝離法得到了石墨烯，但是這種方法費時費力，不能大規模生產。而隨著石墨烯的需求日益增長，改善其制備方法成為了學者們的主要研究目標之一。目前，石墨烯的制備方法通常分為兩類：化學方法和物理方法。簡要介紹幾種：

（1）機械剝離法，石墨烯首次發現時采用的方法。直接利用透明膠帶反復剝離至較薄的石墨片層而獲得石墨烯。這種方法雖然可以簡單易行地制備石墨烯，但是不能大量生產，且制得的石墨烯尺寸難控，缺陷較大。

（2）取向附生法，利用生長基質原子結構在單晶襯底上“種”出晶向與襯底一樣的單晶層。首先，讓碳原子在2550 °C下滲入釕，然后冷卻到2310 °C，之前吸收的大量碳原子形成鏡片形狀，且浮出并布滿整個釕表面，最終“長”成完整的一層石墨烯。這種方法獲得的石墨烯定向性高，但厚度不均勻，而且性能會受損。

（3）化學氣相沉淀法，反應物于氣態下進行化學反應，產物呈固態沉積在固態基體表面，最后制備出固體產品的方法。該法是大規模工業化生產半導體薄膜的主要方法，生產工藝已比較完善。Reina等以多晶鎳為基板，在其表面通過熱解甲烷以及氫氣的混合氣體實驗，成功獲得12層以下甚至單層的石墨烯薄膜。該法可以控制石墨烯片層尺寸，也可用于大規模生產，但制備出來的石墨烯缺失了某些屬性，例如量子霍爾效應，且其電子性質受襯底影響較大。

（4）電化學法。Liu等以石墨棒為電極，離子性溶液為電解液，用電化學法將陽極上的石墨片層剝落而成石墨烯。該法制備得到的是氧化石墨烯，其片層可以很好地分散在極性溶劑中，且具有一定的導電性。

（5）氧化還原法。首先，以天然石墨或者膨脹石墨粉與強氧化劑以及強酸為原料，使它們形成膠體體系，反應后獲得氧化石墨烯。這一過程主要以Hummers法最為常用——以濃硫酸和高錳酸鉀為氧化劑，氧化石墨粉，氧原子進入石墨層間，與π電子結合，從而破壞層內π鍵，而在石墨烯片層上形成羰基、羧基等含氧官能團。然后，還原氧化石墨烯獲得石墨烯。常用的還原方法有化學還原及熱還原等。如圖3所示。

圖3 氧化還原法制備石墨烯流程圖

石墨烯復合材料研究進展

基于石墨烯優異的性能，石墨烯/聚合物復合材料成為近來研究的熱門，在電子器件、結構材料、傳感器、生物材料等諸多方面均具有潛在的應用前景。但是，關于石墨烯/硅橡膠復合材料的研究多集中在導電、導熱、力學性能等方面，而對耐熱性的研究不多。同時，目前對石墨烯片層大小對復合材料的影響的探討也較少。

趙麗等以溶液法制備石墨烯/硅橡膠復合材料，并研究分析了石墨烯對硅橡膠電性能及力學性能的影響，得出結論，隨著石墨烯摻雜量的增加，硅橡膠復合材料的拉伸強度、硬度等力學性能得以提高，電導率不斷增加。Mu等通過熔融混合和溶液插層制得膨脹石墨/硅橡膠復合材料，并對復合材料的熱導率進行了研究，發現，隨著膨化石墨量的不斷加入，復合材料的熱導率增加，且溶液插層法具有較好的效果。Hu等將石墨烯加入碳納米管/硅橡膠復合材料發現，石墨烯可促進碳納米管在體系中的分散性，從而大幅度的提高硅橡膠復合材料的力學性能、電導率及導熱性能。而Xiang等發現，石墨烯納米帶可以提高復合材料的氣體阻隔性以及力學性能。

隨著研究的深入，諸學者逐漸開始具體到石墨烯片層的探究。研究結果表明，石墨烯片層大小對材料的影響很大：Jun等發現，較大片層的石墨烯片材顯示出更高的電導率，使得硅橡膠的導電性能更好；而Sato等研究得出，較小的石墨烯片層有更強的氧化還原反應活性。值得注意的是，Cao等則研究表明，由于石墨烯內部聲子振動、邊界散射等作用會影響材料的熱導率，對于石墨烯納米帶而言，其片層越大，其聲子共振越強，熱導率越低。可見，不同片層大小的石墨烯的導熱性能存在顯著差異，這對研究導熱作用在石墨烯/硅橡膠復合材料耐熱性能中的影響提供了可能。