1 石墨烯的结构及其基本性质
（中国粉体技术网/小悦）石墨烯是碳原子周期性排列形成的一种二维蜂窝状材料，其晶体结构如图1所示。它可以翘曲成零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨，如图2所示。因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元，其厚度仅为一个碳原子层的厚度。
 
图1 石墨烯晶体结构 图2 石墨烯形态
石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，是目前最理想的二维纳米材料。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的电光热特性。包括室温下高速的电子迁移率、半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度，被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛的应用前景。二维石墨烯结构可以看是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元，具有极高的机械强度，优异的导热性能和极大的比表面积,其载流子迁移率高达15000cm2·v-1·s-1，而且它还具有室温量子霍尔效应和室温铁磁性等特殊性质。与碳纳米管相比，石墨烯的主要性能指标均与之相当甚至更好，并且石墨烯来源丰富、成本低、易于大规模生产。
石墨烯优异的性能，较大的比表面积和较低的生产成本，在改性和还原后对改善高分子的力学性能、热性能和电性能等方面具有很大潜力，非常适合开发高性能的复合材料。
2 石墨烯高分子纳米复合材料的性能
我国对石墨烯高分子纳米复合材料的研究仍处在起步阶段，但是发展却很快，石墨烯经过改性和还原后可在高分子基体中形成纳米级分散，在改善高分子的力学性能、热性能和电性能等方面表现出很大的潜力。
2.1 力学性能
对于石墨烯基高分子纳米材料，由于拥有较大的比表面积和出众的性能，得到结构上和功能上的优良体系是非常可能的。利用AFM的纳米压痕技术，完美的石墨烯片层本征强度为130GPa，其弹性模量为1.0TPa，所以石墨烯在高分子纳米复合材料的力学增强方面是一个很不错的选择。采用化学剥离的方法制备了可溶于水的石墨烯，并通过溶液共混法分别制备了石墨烯增强聚乙烯醇复合材料和聚氨酯复合材料，研究结果表明：向聚乙烯醇中添加0.7% (质量分数) 的石墨烯就可以使复合材料的拉伸强度和杨氏模量分别提高76% 和62%；对于石墨烯增强聚氨酯复合材料而言，当复合材料中石墨烯含量为1 %时，聚氨酯复合材料的强度和模量分别提高了75% 和120%。
2.2 电性能
石墨烯具有超大的比表面积，容易在聚合物基体中形成良好的导电网络，而且石墨烯具有很高的电子迁移速率。将苯基异氰酸酯功能化的石墨烯添加到聚苯乙烯基体中，然后用二甲肼进行还原，最后得到了导电性能优异的聚苯乙烯/石墨烯复合材料，其在常温下的导电逾渗阀值仅为0.1%（体积分数），当石墨烯添加的体积分数为1%时，复合材料的电导率已经高达0.1 S/m，可以满足很多场合下对材料导电性的要求。
2.3 热性能
石墨烯具有极高的导热系数和超大的比表面积，可以作为一种很好的填料来显著提高材料的导热性能。但是经过氧化还原法制备的石墨烯的热导率较低，仅为0.14-2.87W/(m•K)，这可能是由于在氧化还原的过程中，石墨烯的结构被破坏，晶格缺陷阻止了热传导的作用。另外，石墨烯的剥离程度、取向以及界面的相互作用都会影响复合材料的热传导。目前，采用石墨烯片GNP( graphite nanoplatelet ) 提高其复合材料的热传导性的聚合物包括：环氧树脂、PP、PE、PA以及石蜡。
当质量分数只为0.25%的功能石墨烯片层被混合到硅泡沫基体中，可使该复合材料的热导率增长6%。此外，被植入了几层石墨烯片层的环氧基树脂的热导率增长能超过30倍。这样的结果，可以看出其比铝、银和二氧化硅等许多传统的填料优秀，而且这些传统的填料则需要装载较多的量才能达到同样的效果。
2.4 其他性能
石墨烯的加入还可以影响到高聚物的其他性能，比如其玻璃化转变温度（Tg）和结晶性能等。向聚丙烯腈中加入1% （质量分数）的功能化石墨烯就可以使其Tg提高近40℃；含0.05%（质量分数）石墨烯的聚甲基丙烯酸甲酯，其Tg与纯的聚合物基体相比提高将近30℃。此外石墨烯还可以影响聚合物的结晶性能，研究发现石墨烯可以作为聚乳酸的异相成核剂，明显缩短其结晶诱导周期并加快其结晶速率。
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