一、石墨烯的發現

2004年，英國曼徹斯特大學的安德烈•K•海姆(Andre K.Geim)等制備出了石墨烯。海姆和他的同事偶然中發現了一種簡單易行的新途徑。他們強行將石墨分離成較小的碎片，從碎片中剝離出較薄的石墨薄片，然后用一種特殊的塑料膠帶粘住薄片的兩側，撕開膠帶，薄片也隨之一分為二。不斷重復這一過程，就可以得到越來越薄的石墨薄片，而其中部分樣品僅由一層碳原子構成，被命名為石墨烯。

二、石墨烯的結構

石墨烯是由碳六元環組成的兩維(2D)周期蜂窩狀點陣結構，它可以翹曲成零維(0D)的富勒烯(fullerene)，卷成一維(1D)的碳納米管(carbon nano-tube，CNT)或者堆垛成三維(3D)的石墨(graphite)，因此石墨烯是構成其他石墨材料的基本單元。石墨烯的基本結構單元為有機材料中最穩定的苯六元環，目前最理想的二維納米材料.。理想的石墨烯結構是平面六邊形點陣，可以看作是一層被剝離的石墨分子，每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻剩余一個p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動，賦予石墨烯良好的導電性。二維石墨烯結構可以看是形成所有sp2雜化碳質材料的基本組成單元。

三、石墨烯的特性

1、電子效應

石墨烯從發現到現在，因為其無與倫比的高電子遷徙率，使其電性質研究的最深。石墨烯的電子遷徙率大小不隨溫度的變化而變化，因為石墨烯的晶格震動對電子散射很少，幾乎不受溫度變化的影響。不論溫度如何變化，石墨烯的電子遷徙率大約都是15000cm²/vs。

石墨烯的超強導電性與他特殊的量子隧道效應有關。量子隧道效應允許相對論的粒子有一定概率穿越能量比自己高的勢壘。而在石墨烯中，量子隧道效應被發揮到極致。所有粒子都發揮的量子隧道效應，通過率達100%。

2、非電子效應

石墨烯的導熱能力出眾，達到了5000W/（m•k），是金剛石的5倍。同時，石墨烯是目前世界上已知的最為堅固的材料，在石墨烯樣品開始碎裂前，其每1nm的距離上能夠承受的最大壓力達到2.9微牛。而且石墨烯還同時展現了高韌性和高脆性亮哥互相矛盾的特性。

3、化學性質

類似石墨表面，石墨烯可以吸附和脫附各種原子和分子。這些吸附物往往作為體或者受體并導致截留子的變化。石墨烯本身仍然是高導電，如氫離子、氫氧根粒子則會導致導電性很差的衍生物，但這些都不是新的化合物，只是石墨烯裝飾不同的吸附物而已。

四、石墨烯的吸波性

隨著現代科學技術的發展，電磁波輻射對環境的影響日益增大。在機場，飛機航班因電磁波干擾無法起飛而誤點；在醫院，移動電話常會干擾各種電子診療儀器的正常工作。因此，治理電磁污染，尋找一種能抵擋并削弱電磁波輻射的材料——吸波材料，已成為材料科學的一大課題。此外，在未來高技術、立體化戰爭中，武器裝備隨時面臨著探測與反探測的嚴峻挑戰。提高軍事裝備的戰術技能，隱身技術已經成為未來高技術戰爭的重要研究課題。吸波材料是隱身技術中的關鍵環節，將吸波材料引入隱身技術的研究受到世界各國的高度重視。

吸波材料是指能吸收投射到它表面的電磁波能量，并通過材料的介質損耗電磁波能量轉換為熱能或其他形式的能量，一般由基體材料與吸收介質復合而成。

石墨烯是一種二維材料，具有優異的導電性和導熱性。由于石墨烯是納米級，具有新的性能。根據理論推導，石墨烯會吸收πα≈2.3%的白光（α指精細結構場數）。目前，石墨烯作為電磁干擾吸波材料在國內外都處于起步階段。而相關研究表明，石墨烯所具備的片貌相對于棒狀狀形或球狀對材料的吸波性更加有利。

Ling等和Mikhailov研究了石墨烯在電磁波方面的干擾特性和響應特性，發現石墨烯在X波段電磁干擾效果好，石墨烯的電子對頻率的輻射具有非線性響應的特點。石墨烯對電磁波的干擾特性和可能實現對電磁干擾材料吸收頻段寬、兼容性好、質量輕和厚度薄等特點。都是人們所希望的電磁干擾材料。石墨烯的吸波層厚度為lmm時，在7GHz左右最大衰減值為一6．5dB。但是不能實現對微波的90%的衰減。

不同厚度的石墨烯理論反射損耗頻率的變化曲線

不同厚度的鍍鎳石墨烯理論反射損耗頻率的變化曲線

隨著科學的發展，人們對吸波材料的要求越來越高，而石墨烯具有的吸波性能和特性都是其他材料所不能具有的，因而人們為了提高石墨烯的吸波性能，對石墨烯進行了改性。湖南大學化學化工學院對用還原液相懸浮氧化石墨法制的了石墨烯并進行了鍍鎳。試驗結果表明，鍍鎳石墨烯復合材料的微波吸收峰也隨著厚度的增加而向低頻移動，且吸波水平達到-10dB以上。可以實現對入射電磁波90%的功能衰減。

清華大學運用石墨的層狀結構，將石墨剝離成了納米級的石墨烯層片，選擇了鐵鈷鎳合金粒子作為負載材料。用較為簡單的共沉積方法制的了合金/石墨烯的吸波劑。電磁波的吸收性能得到了很大的提高。

隨著吸波材料的快速發展，吸波材料的性能也需要提高，而石墨烯具有的特殊的性能和結構，必然隨著科學的進步，必然會在強吸收性能材料的復合及其納米化方面大放異彩。

五、石墨烯的屏蔽性

電子產業的飛速發展，各種電器被廣泛使用，大大提高了人們的生活效率，改善了生活質量，但也是一把“雙刃劍”，因為這些電器隨時都在發出電磁波。電磁波向空中發射或泄露的現象被稱為“電磁輻射”。只要各種電器處于使用狀態就無時不刻的再產生電磁輻射。這些電磁波對人體的健康產生了很大的威脅，電磁屏蔽材料就應運而生。電磁屏蔽的作用使減弱由某些輻射源所產生的某個區內德輻射效應，有效的控制電磁波從某一區域向另一區域輻射而產生的危害。其作用原理是采用低電阻的導體材料，由于導體材料對電磁能流具有反射的引導作用，在導體材料北部產生與原電磁場相反的電流和磁極化，從而減弱原電磁場的輻射效果。

石墨烯基友優異的導電性。是作電磁蔽涂料的優良材料。碳系材料的屏蔽作用主要取決于表面反射，而石墨烯的結構有利于提高多次反射損耗。導電膜就是一種應用比較廣泛的電磁屏蔽材料。石墨烯是片狀結構，如果其一層一層的緊密平行排列，過面與面的接觸實現導電通路，由于接觸面大、電阻小，導電能力較強。這就是理想中的石墨烯屏蔽材料的的導電網絡。

理想的導電網絡

青島大學用石墨烯（質量分數5%）為導電填料，水性苯丙乳液（質量分數30%）為基體，用共混的方法制得一種全新的復合導電膜。由圖看出，制得的導電膜石墨烯片層構成的導電網絡蓬松，取向不一，層與層之間存在不少的空隙，存在結構上的缺陷。導電膜結構中空隙的增大、增多不利于其導電性能。

復合導電膜的截面

為了避免這些缺陷，因此選擇嘗試添加了少量納米金屬銀的方法。納米銀粒充當導電網絡的節點，使其導電能力增強。石墨烯的片狀結構在二維平面上雖然容易接觸形成導電網絡，但在三維空間結構內，層與層之間容出現間隙用納米銀粒充當導電網絡的節點，使相鄰石墨烯薄片進行點接觸，增加了石墨烯導電網絡的通路數量、降低了導電通路的阻值。使其導電能力增加。屏蔽性能增加。

六丶石墨烯的展望

石墨烯從一個新生兒快速成長為科學界的新星，自身優異的性能漸漸被發掘和開發，但在石墨烯的研究與應用中仍然存在很多未知領域，石墨烯的很多性質尚不完善，如電子性能，磁性等。開拓石墨烯和其它學科的交叉領域，探索石墨烯功能化的新性能，目前有機化學家和材料化學家二者結合，致力于找到更好的合成路線，制備高質量的石墨烯。是以后對石墨烯研究的主要方向。石墨烯作為很多領域非常有潛力的替代材料，還存在很多問題，有待進一步深入研究。

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作者：石永川  指導老師：付真金  學號：20080083