重庆理工大学毕业论文 石墨烯的制备及应用研究毕 业 论 文题目 石墨烯的制备及应用研究 二级学院 材料科学与工程学院 专 业 材料科学与工程专业 班 级 学生姓名 樊朋博 学 号 指导教师 孟范成 时 间 2015.5.20 目录摘 要. 2Abstract.31 绪论41.1 石墨烯的简介41.2 石墨烯的制备方法61.3 石墨烯的应用7 1.4 Al2O3陶瓷基复合材料及其应用7 1.5 石墨烯氧化铝复合陶瓷简介7 1.6常用的烧结方法10 1.7纳米勃姆石复合吸附材料的制备方法12 1.8本论文研究目的和内容13 2 实验过程14 2.1制备氧化石墨烯14 2.2球磨混料15 2.3压片烧结16 2.4分级结构勃姆石/石墨烯复合纳米材料实验162.5 材料测试方法183 结果与分析22 3.1 氧化石墨烯分析22 3.2 石墨烯氧化铝复合陶瓷分析26 3.3 石墨烯的应用分析294 总结35致 谢36参 考 文 献37摘 要石墨烯自2004年被发现至今受到了科学家们尤其是材料界的极大关注，由于其在力学、光学、电学等方面都表现出极大优异性，被认为在用于材料基体补强剂方面具有非常广泛的应用前景。本文将研究石墨烯溶液与氧化铝混合，然后再利用真空热压烧结技术所得到的新型陶瓷基复合材料。石墨稀由于其自身高模量和高强度等良好性能，被认为是一种非常理想的陶瓷基体补强体。比如在氧化铝陶瓷基体中添加石墨稀,极大地提高了氧化铝陶瓷的导电性能、提高了陶瓷的烧结致密度。本文中我们对含1wt%的氧化石墨烯的氧化铝复合陶瓷进行了烧结和分析，通过改变其烧结工艺发现复合陶瓷在不同温度下烧结时在磨损量、致密度、硬度等方面表现出明显变化，我们对这些变化进行了对比分析和总结。我们分析了石墨烯对材料吸附性的影响，将石墨烯与勃姆石复合制备出一种新型复合吸附材料，再以重金属离子Cr以及有机染料刚果红为例，分析了石墨烯勃姆石复合材料的吸附性能。本试验中用冰浴的方法出制备石墨烯,这种方法相对简单易操作。石墨烯作为一种新型材料，不仅自身有着优异的性能，而且在材料补强体领域也表现出可观的发展前景。关键词：石墨烯、氧化铝基复合陶瓷、分散性、勃姆石、吸附性AbstractGraphene was discovered since 2004 has been a great concern to scientists, especially the material world, because of its mechanical, optical, electrical, etc. have shown great superiority, it is considered in terms of material used for the substrate reinforcing agentIt has a very broad application prospects. This article will examine the graphene solution is mixed with alumina, and then use the resulting vacuum sintering technology of new ceramic matrix composites. Graphene due to its good performance of high modulus and high strength, is considered to be an ideal ceramic matrix reinforcement body. Such as adding graphene alumina ceramic matrix, which greatly improves the conductivity of alumina ceramic, improved sintering density. In this article we 1wt% containing graphene oxide alumina composite ceramics sintered and analysis, the composite ceramics sintered at different temperatures show a significant change in the amount of wear, density, hardness, etc. by changing the sintering process found we compared these changes analyzed and summarized.We analyzed the effect of graphene adsorption properties of the material, graphene boehmite composite prepared a new composite adsorbent material, and then to heavy metal ions and organic dye Congo red Cr example, analyzed boehmite composite graphene adsorption properties of the material. Used in this test method for the preparation of an ice bath graphene, this method is relatively simple and easy to operate. Graphene is a new material, not only has its own excellent performance, but also in the field of material reinforcement body also showed considerable growth prospects.Keywords: graphene, alumina ceramic matrix composite, dispersion, boehmite, adsorption1 绪论1.1 石墨烯的简介1.1.1 结构分析石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六边形晶格的平面薄膜，仅由碳单层组成的二维材料1。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子网格。石墨烯内部的碳原子之间的连接有很强的韧性，当受到外力作用时，石墨烯内部的碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列以消除外力，从而保持结构稳定，正是因为这种稳定的晶格结构赋予了石墨烯良好的导热性能2。另外，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或外来原子入侵而发生散射。另外由于石墨烯内部强大的原子间作用力，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，对内部电子运行也是影响极小的3。图1.石墨烯空间结构图图2石墨烯及其所构建的富勒烯、碳纳米管、石墨1.1.2 性能分析(1)导电性能 常温下石墨烯的电子迁移率超过15000 cm2/Vs，比碳纳米管以及硅晶体都要高，而电阻率只约10-6cm，比铜和银还要低，是目前所发现电阻率最小的材料4。由于石墨烯的电阻率极低、厚度极小，被认为在电子元件以及晶体管的发展方面极具潜力，例如在透明触控屏幕、光板、太阳能电池板等领域，石墨烯都是目前最为理想的制作材料。(2)量子霍尔效应 石墨烯在常温下可以观察到量子霍尔效应。这个特性被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量”5。(3) 吸光性能 作为单层原子结构的石墨烯因为其独特电子性质造成了石墨烯高不透明度的性质，令人惊异。更令人诧异的是，石墨烯的不透明度只与精细结构常数有关，而精细结构常数通常很少会在材料科学领域找到它，大多出现于量子电动力学中6，可见石墨烯具有极其优异的吸光性能。(4) 场效应 曾有人在温室通过施加电压于一个双闸极双层石墨烯场效晶体管，石墨烯的能隙可以从0 eV调整至0.25 eV（大约5微米波长）。通过施加外磁场，石墨烯纳米带的光学响应也可以调整至太赫兹频域。因此有人认为石墨烯会是理想的自旋电子学材料7。 (5) 导热性能 石墨烯的导热系数为5300 W/mK；而碳纳米管的导热系数一般为3500W/mK，可见石墨烯的导热性能比碳纳米管要好很多。在金属材料中银、铜、金、铝的导热系数相对较高，但都远不及石墨烯。优异的导热性能使得石墨烯有望成为未来超大规模纳米集成电路的散热材料。1.2 石墨烯的制备方法 石墨烯的制备方法多种多样，本次试验中我们采取冰浴氧化法制备氧化石墨烯，然后在烧结过程中氧化石墨烯会自动高温分解成石墨烯。这里对其他实验室石墨烯或氧化石墨烯的方法进行了简单概括，然而制备石墨烯的方法并不局限于一下几种。（1）轻微按摩法 常用的方式是机械分离法，就是将石墨薄片直接从晶体表面剪裁下来得到石墨烯。在2004年，科学家通过这种方式进行了单层石墨烯的制备 13。也有人曾通过一种膨化材料来摩擦石墨，从而使得石墨表面会出现晶体，这些晶体中就包含了石墨烯，这是一种典型的机械分离法制备石墨烯的方法。但这种机械法制备石墨烯的缺点是不容易控制尺寸，并且难以保证其长度。（2）碳化硅外延表面生长法 这种方式就是利用单晶碳化硅加热的方法来脱除硅，使得石墨烯片层从单晶面上被分离出来。具体操是：将样片经过氢气或氧气刻蚀处理，再用高真空电子轰击法进行加热，从而排除试样中的氧化物。然后使用俄歇电子能谱进行完全移除氧化物，加热样品，在温度达到设定值后，形成石墨烯片层8-9。（3）金属表面生长法 所谓金属表面生长法，就是在原子结构中生出石墨烯。在设定温度下渗入碳原子，冷却，之后碳原子会大量的浮到金属表面，整个渗碳体表面会出现单层碳原子，生长形成石墨烯。（4）化学气相沉积法 这是一种有效地制备石墨烯的方式，使用这种方式，不需要使用催化剂，在可分解高温前驱体气氛内部设置基底，然后高温退火使得基底表面沉积一层碳原子得到石墨烯。并且利用前驱体流量、生长温度和基底类型，可以控制石墨烯的生长。（5）氧化减薄法 通过对石墨加热氧化，逐层减薄，从而出现双层或者单层的氧化石墨烯。很多公司对于氧化石墨烯都十分关注，并且逐渐研究出更加科学可靠的方式，优化制备方法。（6）切割碳纳米管法 这种方式还处于试验阶段，就是利用硫酸和锰酸钾将溶液中碳纳米管切开。还有一种方式就是通过等离子体对嵌入聚合物的一部分纳米管进行刻蚀处理