石墨烯是碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結構的碳質新材料，厚度僅有 0.335nm，具有優異的物理化學特性。石墨烯具有面內 3 個互成 120°的σ 鍵，和垂直于平面的 π 電子軌道，因而具有耐腐蝕、高導熱、耐磨和化學穩定性等，不論是在 1500℃高溫條件下，還是在腐蝕或氧化環境中均能保持穩定，有望成為最纖薄的防腐材料和強化傳熱材料。在海水淡化防腐與傳熱方面具有應用潛力。

    氧化石墨烯與石墨烯相比，表面帶有較多的含氧有機官能團，導致了其在機械性能，導電性能方面有一定的降低，但氧化石墨烯表面的這些含氧有機官能團能夠使其與環氧樹脂等一些有機樹脂之間具有優異的相容性和接合面結構，可充分發揮氧化石墨烯作為增強相在連續相樹脂中的作用，同時這些含氧官能團表現出來的強親水性可使氧化石墨烯在一些溶劑中穩定分散。目前為止，制備石墨烯和氧化石墨烯運用最多的是氧化還原法。氧化石墨烯的結構見下圖 .

氧化石墨烯結構

    在防腐耐磨涂料中應用狀況

    Park 等人利用電泳沉積的方法在中碳鋼表面制備了氧化石墨烯涂層用于防腐，實驗研究表明由于氧化石墨烯卓越的阻隔作用，電泳沉積方法在中碳鋼表面制備的氧化石墨烯涂層具有優異的防腐效果。Krishnamoorthy 等人將氧化石墨烯添加到醇酸樹脂中，制備了納米涂料，浸泡實驗和電化學腐蝕測試表明該氧化石墨烯納米涂料不論是在酸性環境中還是高鹽含量的溶液中均有優異的防腐蝕性。Chen 等人利用化學氣相沉積的方法在銅和銅鎳合金表明制備了石墨烯薄膜，該石墨烯薄膜使基體金屬表面與外界環境之間只有 1 個原子的距離，但卻能有效地阻止氧氣分子的滲透，防止了基底的氧化，實驗研究表明在 200℃中放置 4 個小時，基底表面仍沒有被氧化。

    Prasai等人在銅表面制備了石墨烯涂層，并將其轉移到鎳基底，對兩種涂層電化學阻抗譜和極化曲線測試結果表明石墨烯薄膜能有效地抑制金屬的氧化和氧還原，表面沉積了石墨烯薄膜的銅與裸銅在硫酸鈉溶液中的腐蝕速率慢了 7 倍，鎳表面的多層石墨烯和四層石墨烯薄膜使得其腐蝕速度與裸鎳相比分別降低了 20 倍和 4 倍，該實驗結果說明石墨烯作為最薄的薄膜，石墨烯具有優異的防腐效果。Sreevatsa 等人利用一種快速機械剝離的方法在鋼表面制備了石墨烯薄膜，電化學測試表明該石墨烯薄膜能在碳納米管與基底鋼之間形成離子阻隔層，保護了基底不受腐蝕。Kirkland 等人在純銅和純鎳表面制備了石墨烯涂層，用拉曼光譜和掃描電鏡檢測發現兩種金屬表面大多數為單層或雙層石墨烯，少數地方存在多層石墨烯，電化學測試表明石墨烯在金屬表面形成離子阻隔層，能有效地阻止金屬在鹽溶液中的電化學腐蝕。Won 等人研究了化學氣相沉積在銅表面的石墨烯涂層在干燥條件下的耐磨性和失效機制，實驗發現涂層的均勻性和質量隨著沉積時間從 5-20分鐘逐漸變好，涂層的耐磨性增強；隨著磨損時間的增長，石墨烯逐漸轉化成無定型碳。

轉移到4寸硅片上的石墨烯

轉移到硅片表面的單層石墨烯的原子力顯微鏡圖像

進口CVD銅基單層石墨烯

    Lin 等人原子力顯微鏡研究了通過機械剝離沉積在硅表面的多層石墨烯涂層的摩擦和磨損性能，實驗結果表明當載荷為 3 到 30nN 時，石墨烯薄膜的摩擦力（0.36 到 0.62nN）小于硅基底的摩擦力（1.1 到 4.3nN），對樣品在5μN 下磨損 100 圈的磨損數據表明石墨烯薄膜的磨損是由于碳原子與石墨烯薄膜界面上的剪切切口處的平面應力鍵的破壞造成的。Filleter 等人利用原子力顯微鏡研究了單層和雙層石墨烯薄膜在Si（001） 表面上的結構和形貌，實驗結果表明在各種摩擦條件下，單層石墨烯薄膜的摩擦力均為雙層石墨烯薄膜的 2倍。同時，石墨烯或者氧化石墨烯常常作為填料添加到聚合物或者合金中作為增強相來改善基體在防腐和摩擦性能方面的不足。Chang 等人利用納米鑄造技術制備了具有疏水性表面的環氧樹脂 /石墨烯復合材料，該復合材料涂層對冷軋鋼電極具有優異的防腐蝕作用，其原因可能在于：（1）環氧樹脂可作為一種物理屏障；（2）疏水性的表面對水分具有排斥作用，從而減少了水或者腐蝕介質的在涂層表面的吸收，因此保護了金屬；（3）較大的比較面積和分散良好的石墨烯納米層片鑲嵌在環氧樹脂中能夠防止腐蝕。Chang 等人將石墨烯添加到聚苯胺中，制備了聚苯胺復合材料，實驗結果表明該復合材料與純的聚苯胺以及聚苯胺 / 粘土復合材料相比顯示出了對氧氣和水優異的阻隔性能，并且 4- 氨基苯甲酸官能化的石墨烯相比于有機土非導電填料具有較大的比表面積，能使石墨在聚合物中更好地分散，并且延長了氣體擴散的通道，提升了聚合物的防腐性能。Schluter 等人實驗結果表明相比于傳統分散的碳黑和石墨，本實驗中的熱還原氧化石墨烯表現出了相當低的摩擦系數和磨損率。Wang 等人通過自助裝和浸涂技術在硅基底表面制備了氧化石墨烯 / 多層烷基化環戊烷涂層，實驗表明由于氧化石墨烯卓越的機械性能和摩擦性能，該實驗所制備的氧化石墨烯 / 多層烷基化環戊烷涂層具有優異的潤滑性，并且該涂層可應用于全面改善基底的摩擦學性能。

石墨烯結構示意圖

    Saurin 等人研究離子液體改性石墨烯填充環氧樹脂復合材料以及石墨烯和離子液體單獨填充環氧樹脂復合材料的摩擦性能，實驗研究表明所有的復合材料相比于純環氧樹脂具有較低的摩擦系數和磨損率，離子液體和離子液體改性石墨烯的添加對環氧樹脂具有增韌的作用，而單獨填充石墨烯有助于提高增強環氧樹脂的熱穩定性和硬度。Lin 等人將硬脂酸和油酸經回流改性的石墨烯層片添加到原油中研究了石墨烯的潤滑作用，實驗結果表明改性后的石墨烯層片能在原油中穩定分散， 當原油中含有質量分數為0.075%時，能明顯的提高器件的耐磨性和承載能力。 此外，氧化石墨烯中的含氧有機官能團，無論是與有機物還是無機物之間均有良好的接合和相容性。因此，氧化石墨烯通常還作為一種特殊的偶聯劑來改善無機填料與有機樹脂之間的接合，提升復合材料的性能。Zhang 等人將氧化石墨烯分散在碳納米管表面來改善碳納米管 / 環氧樹脂之間的界面性能，實驗結果表明氧化石墨烯的加入提升了復合材料的界面性能和拉伸性能，當氧化石墨烯的含量分數為 5% 時，復合材料的截面剪切強度、層間抗剪強度和拉伸性能得到了最大的提升。Chen 等人將氧化石墨烯引入到二氧化硅表面形成了一個球 - 殼結構的復合填料并將其添加到環氧樹脂中，得到了具有優異機械性能的復合材料，作者認為超薄的氧化石墨烯覆蓋在二氧化硅表面是提升復合材料機械性能的主要原因，作為一種特殊的偶聯劑，氧化石墨烯有效地提升了二氧化硅與環氧樹脂之間的界面相互作用。此外，氧化石墨烯不僅能夠提升環氧樹脂涂層的防腐耐磨性能，而且與環氧樹脂和無機填料之間均有良好的結合面，因此可用于改善無機填料與環氧樹脂之間的結合面，以提升涂層的防腐耐磨性能。

不同晶疇尺寸的石墨烯

    目前石墨烯的應用存在幾個問題 :

    1，石墨烯規模生產還有很多工作要做；

    2，石墨烯在防腐中必須表面改性，尤其是石墨烯表面氧化改性之后，與環氧等樹脂改性、復合性能得到大幅提高，但氧化石墨烯部分性能下降較多，例如穩定性下降不少。

    參考文獻

    1.Nair R R, Blake P, Grigorenko A N, et al. Finestructure constant defines visual transparency of graphene[J]. Science, 2008，320:1308-1308

    2.Wang Y, Huang Y, Song Y, et al. Room temperatureferromagnetism of grapheme [J]. Nano. Lett., 2009，9：220~224.

    3. 董樹梅 . 氧化石墨烯改性及其環氧樹脂復合材料的制備研究 [D]：[ 碩士學位論文 ]. 上海：華東理工大學，2011

    注：本文參考文獻共 33 個，若需了解全部參考文獻，請聯系本刊編輯部。

    作者簡介

    林安，博士，教授，博士導師，武漢大學資源與環境科學學院工作。

    1985.7－2003.7，在原機械工業部武漢材料保護研究工作，所長，研究員。主持國家“七五攻關項目”、參加“八五攻關項目” 曾獲省部級科技進步二等獎、三等獎。

    2003.8-現在，在武漢大學資源與環境科學學院環境工程系工作，教授，參加國家自然科學基金重大項目、國家科技部863項目、國家電網等項目研究。至今已在國內外期刊發表論文80多篇，獲得專利7項，協助指導博士十余名，指導碩士二十余名。

    兼任社會職務：國際表面精飾聯盟副主席、中國腐蝕與防護學會 （6、7、9屆）副理事長、中國機械工程學會常務理事，中國表面工程協會（5屆）副理事長、武漢大學學術委員會委員（第一、二屆）、湖北省船舶與海洋工程領域專家、《中國表面工程》、《裝備環境工程》等編委。著有《功能性防腐涂料》等。