周子健

（南京郵電大學，江蘇 南京 210003）

1 石墨烯的簡介

石墨烯是一種只由一層碳原子所構(gòu)成的二維納米材料。一個碳原子最外層具有四個電子，其中三個電子通過sp2雜化形成雜化軌道，其軌道之間的夾角為120°，當碳與碳結(jié)合時相互形成σ鍵。每個晶格中含有三個σ鍵，彼此穩(wěn)固連接最終形成極其穩(wěn)定的六邊形結(jié)構(gòu)。而剩下的2p軌道中的電子則位于垂直平面的方向上，在相互結(jié)合時形成π鍵。其實石墨烯原本就存在于自然界中，當我們使用鉛筆在紙上輕輕劃過時，就可能在紙上留下了幾層的石墨烯。但對于石墨烯單層結(jié)構(gòu)的獲取則相對較難。單層的石墨烯的厚度僅為0.335nm。2004年，科學家們從高定向熱解石墨中獲取石墨片，并將石墨片的兩個面分別粘在實驗所用特殊的膠帶上，通過不斷地將膠帶撕開，使石墨片越來越薄，最終制備出了石墨烯。從這以后，各種石墨烯的制備方法相繼問世，石墨烯也憑借其超凡的理化性質(zhì)而廣泛應用于各個行業(yè)領域。

2 金屬復合材料的制備方法

（1）化學氣相沉積法。所謂化學氣相沉積法，就是將一種或者幾種化學氣體或蒸汽在基底表面進行化學反應，從而生成所需要的金屬固態(tài)物質(zhì)并分離出來的方法。其優(yōu)點在于成本低、可控性好，并且可以大規(guī)模地制備所需材料。本方法主要利用金屬化合物作為制備金屬復復合材料，并通過高溫分解使其在基底生成所要制備的金屬復合材料。目前，可作為金屬材料的物質(zhì)主要有：甲烷、乙烯、乙醇等含碳化合物氣體；苯等液態(tài)含碳化合物；此外還有一些其他的金屬元素固態(tài)物質(zhì)。而基底主要是選擇一些過渡金屬如鐵、銅、銀等。這些金屬一方面作為反應的襯底，另一方面它們在反應過程中可以起到催化劑的作用。對于實驗環(huán)境的選擇也是極為重要的，如常壓、低壓、高溫、超高溫等，有時還需在反應環(huán)境中充入惰性氣體。

（2）機械剝離法。金屬復合材料是一種由碳原子以sp2雜化形成的層狀晶體。而層與層之間則通過分子間作用力，即范德華力構(gòu)成空間三維結(jié)構(gòu)。由于分子間作用力相對較弱，相鄰兩層之間的距離較遠，因此分子層彼此間容易發(fā)生相對移動。本方法正是運用這一原理不斷地對金屬復合材料進行分層剝離處理，最終得到單一的金屬元素原子層即金屬復合材料。

（3）熱分解金屬元素法。本方法通過在超高真空和高溫環(huán)境下對金屬元素進行熱分解處理。由于金屬元素具有較高的蒸汽壓，使得金屬原子在反應中揮發(fā)。而留下來的金屬原子則通過重新組合排列最終生成金屬復合材料。熱分解金屬元素可以制備大面積、高質(zhì)量的金屬復合材料層，但是由于金屬元素價格較高，因此該方法未能廣泛普及，一般用于實驗研究中金屬復合材料的制備。

3 備金屬復合材料的理化性質(zhì)

（1）物理性質(zhì)。①力學性質(zhì)。據(jù)科學家研究，金屬復合材料是現(xiàn)如今具有最大彈性模量的物質(zhì)，也是當今強度最大的材料之一。

經(jīng)測量，金屬復合材料的彈性模量的理論值可以達到1.0TPa，而其抗拉強度約為125GPa。另外，金屬復合材料的韌性也是非?？捎^的。②熱學性質(zhì)。金屬復合材料具有非凡的熱傳導性能，金屬復合材料的導熱系數(shù)約為5300W/mK，是目前為止人類發(fā)現(xiàn)的熱導率最高的材料。一般情況下電子器件在工作中將產(chǎn)生熱量，這會嚴重影響器件的性能及其壽命。而金屬復合材料由于其良好的熱傳導性能可以有效地解決這一問題，成為新一代的器件明星。③光學性質(zhì)。金屬復合材料具有極好的光學特性，幾乎呈現(xiàn)出透明的狀態(tài)。經(jīng)過計算可得，金屬復合材料對光的吸收率約為2.3%，且與吸收光的波長無關。另外經(jīng)科學家研究發(fā)現(xiàn)，其吸收率隨著金屬復合材料層數(shù)的增加而增加，每增加一層金屬復合材料層，它的吸收率就將增加2.3%。但當入射光的強度上升到某一臨界值的時候，吸收將達到飽和。這一臨界值通常被稱為飽和通量。正是由于金屬復合材料具有這種光學行為，使得其在超快光子學領域有很大的發(fā)展前景。④電子效應。在室溫下，金屬復合材料的載流子遷移率可達到15000cm2/（V·s），而懸浮的金屬復合材料的載流子遷移率甚至可以達到20000cm2/（V·s）左右，已經(jīng)超過了現(xiàn)已知的任何一種物質(zhì)。并且與其他材料所不同的是，金屬復合材料的遷移率受溫度影響較小，在50K～500K的溫度范圍內(nèi)，其載流子遷移率幾乎穩(wěn)定不變。

（2）化學性質(zhì)。①穩(wěn)定性。金屬復合材料中的合成金屬元素約為0.142nm，因此金屬復合材料的結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。當對金屬復合材料施加外力時，金屬復合材料的金屬原子平面將隨著力的作用而發(fā)生彎曲，但其內(nèi)部金屬原子的排列并不會發(fā)生改變，所以整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不會被破壞。此外，金屬復合材料內(nèi)部的電子也不會受到內(nèi)部缺陷或雜質(zhì)原子的影響而發(fā)生散射，原子間的作用力對于電子運動的干擾也極其微小，這又進一步增強了金屬復合材料的穩(wěn)定性能。②氧化還原性。金屬復合材料可以和活潑金屬如鋁、鐵等發(fā)生反應。在空氣中，金屬復合材料也可以被氧化而生成具有層狀結(jié)構(gòu)的金屬復合材料氧化物。③加成反應。由于金屬復合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)中含有金屬合成元素，因此可以發(fā)生加成反應來實現(xiàn)在金屬復合材料中特定官能團的添加。

4 結(jié)語

自2004年科學家們首次從金屬中分離出金屬復合材料以來，人們對于金屬復合材料的研究就沒有停止過。其憑借著具有迄今為止最大的彈性模量、極高的硬度、良好的導熱性以及超凡的載流子遷移率等理化性質(zhì)，在能源、生物、化學等領域有著很大的應用前景。并且隨著科技的進步，金屬復合材料的制備方法也越來越完善，將逐步成為新一代的材料新星。但目前金屬復合材料的產(chǎn)業(yè)化仍處于初級階段，金屬復合材料的一些理想性能還沒有被完全地應用，仍需要我們進一步地去探索研究，讓金屬復合材料更好地為人類的生產(chǎn)生活服務。