石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的碳质新材料，厚度仅有 0.335nm，具有优异的物理化学特性。石墨烯具有面内 3 个互成 120°的σ 键，和垂直于平面的 π 电子轨道，因而具有耐腐蚀、高导热、耐磨和化学稳定性等，不论是在 1500℃高温条件下，还是在腐蚀或氧化环境中均能保持稳定，有望成为最纤薄的防腐材料和强化传热材料。在海水淡化防腐与传热方面具有应用潜力。

    氧化石墨烯与石墨烯相比，表面带有较多的含氧有机官能团，导致了其在机械性能，导电性能方面有一定的降低，但氧化石墨烯表面的这些含氧有机官能团能够使其与环氧树脂等一些有机树脂之间具有优异的相容性和接合面结构，可充分发挥氧化石墨烯作为增强相在连续相树脂中的作用，同时这些含氧官能团表现出来的强亲水性可使氧化石墨烯在一些溶剂中稳定分散。目前为止，制备石墨烯和氧化石墨烯运用最多的是氧化还原法。氧化石墨烯的结构见下图 .

氧化石墨烯结构

    在防腐耐磨涂料中应用状况

    Park 等人利用电泳沉积的方法在中碳钢表面制备了氧化石墨烯涂层用于防腐，实验研究表明由于氧化石墨烯卓越的阻隔作用，电泳沉积方法在中碳钢表面制备的氧化石墨烯涂层具有优异的防腐效果。Krishnamoorthy 等人将氧化石墨烯添加到醇酸树脂中，制备了纳米涂料，浸泡实验和电化学腐蚀测试表明该氧化石墨烯纳米涂料不论是在酸性环境中还是高盐含量的溶液中均有优异的防腐蚀性。Chen 等人利用化学气相沉积的方法在铜和铜镍合金表明制备了石墨烯薄膜，该石墨烯薄膜使基体金属表面与外界环境之间只有 1 个原子的距离，但却能有效地阻止氧气分子的渗透，防止了基底的氧化，实验研究表明在 200℃中放置 4 个小时，基底表面仍没有被氧化。

    Prasai等人在铜表面制备了石墨烯涂层，并将其转移到镍基底，对两种涂层电化学阻抗谱和极化曲线测试结果表明石墨烯薄膜能有效地抑制金属的氧化和氧还原，表面沉积了石墨烯薄膜的铜与裸铜在硫酸钠溶液中的腐蚀速率慢了 7 倍，镍表面的多层石墨烯和四层石墨烯薄膜使得其腐蚀速度与裸镍相比分别降低了 20 倍和 4 倍，该实验结果说明石墨烯作为最薄的薄膜，石墨烯具有优异的防腐效果。Sreevatsa 等人利用一种快速机械剥离的方法在钢表面制备了石墨烯薄膜，电化学测试表明该石墨烯薄膜能在碳纳米管与基底钢之间形成离子阻隔层，保护了基底不受腐蚀。Kirkland 等人在纯铜和纯镍表面制备了石墨烯涂层，用拉曼光谱和扫描电镜检测发现两种金属表面大多数为单层或双层石墨烯，少数地方存在多层石墨烯，电化学测试表明石墨烯在金属表面形成离子阻隔层，能有效地阻止金属在盐溶液中的电化学腐蚀。Won 等人研究了化学气相沉积在铜表面的石墨烯涂层在干燥条件下的耐磨性和失效机制，实验发现涂层的均匀性和质量随着沉积时间从 5-20分钟逐渐变好，涂层的耐磨性增强；随着磨损时间的增长，石墨烯逐渐转化成无定型碳。

转移到4寸硅片上的石墨烯

转移到硅片表面的单层石墨烯的原子力显微镜图像

进口CVD铜基单层石墨烯

    Lin 等人原子力显微镜研究了通过机械剥离沉积在硅表面的多层石墨烯涂层的摩擦和磨损性能，实验结果表明当载荷为 3 到 30nN 时，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），对样品在5μN 下磨损 100 圈的磨损数据表明石墨烯薄膜的磨损是由于碳原子与石墨烯薄膜界面上的剪切切口处的平面应力键的破坏造成的。Filleter 等人利用原子力显微镜研究了单层和双层石墨烯薄膜在Si（001） 表面上的结构和形貌，实验结果表明在各种摩擦条件下，单层石墨烯薄膜的摩擦力均为双层石墨烯薄膜的 2倍。同时，石墨烯或者氧化石墨烯常常作为填料添加到聚合物或者合金中作为增强相来改善基体在防腐和摩擦性能方面的不足。Chang 等人利用纳米铸造技术制备了具有疏水性表面的环氧树脂 /石墨烯复合材料，该复合材料涂层对冷轧钢电极具有优异的防腐蚀作用，其原因可能在于：（1）环氧树脂可作为一种物理屏障；（2）疏水性的表面对水分具有排斥作用，从而减少了水或者腐蚀介质的在涂层表面的吸收，因此保护了金属；（3）较大的比较面积和分散良好的石墨烯纳米层片镶嵌在环氧树脂中能够防止腐蚀。Chang 等人将石墨烯添加到聚苯胺中，制备了聚苯胺复合材料，实验结果表明该复合材料与纯的聚苯胺以及聚苯胺 / 粘土复合材料相比显示出了对氧气和水优异的阻隔性能，并且 4- 氨基苯甲酸官能化的石墨烯相比于有机土非导电填料具有较大的比表面积，能使石墨在聚合物中更好地分散，并且延长了气体扩散的通道，提升了聚合物的防腐性能。Schluter 等人实验结果表明相比于传统分散的碳黑和石墨，本实验中的热还原氧化石墨烯表现出了相当低的摩擦系数和磨损率。Wang 等人通过自助装和浸涂技术在硅基底表面制备了氧化石墨烯 / 多层烷基化环戊烷涂层，实验表明由于氧化石墨烯卓越的机械性能和摩擦性能，该实验所制备的氧化石墨烯 / 多层烷基化环戊烷涂层具有优异的润滑性，并且该涂层可应用于全面改善基底的摩擦学性能。

石墨烯结构示意图

    Saurin 等人研究离子液体改性石墨烯填充环氧树脂复合材料以及石墨烯和离子液体单独填充环氧树脂复合材料的摩擦性能，实验研究表明所有的复合材料相比于纯环氧树脂具有较低的摩擦系数和磨损率，离子液体和离子液体改性石墨烯的添加对环氧树脂具有增韧的作用，而单独填充石墨烯有助于提高增强环氧树脂的热稳定性和硬度。Lin 等人将硬脂酸和油酸经回流改性的石墨烯层片添加到原油中研究了石墨烯的润滑作用，实验结果表明改性后的石墨烯层片能在原油中稳定分散， 当原油中含有质量分数为0.075%时，能明显的提高器件的耐磨性和承载能力。 此外，氧化石墨烯中的含氧有机官能团，无论是与有机物还是无机物之间均有良好的接合和相容性。因此，氧化石墨烯通常还作为一种特殊的偶联剂来改善无机填料与有机树脂之间的接合，提升复合材料的性能。Zhang 等人将氧化石墨烯分散在碳纳米管表面来改善碳纳米管 / 环氧树脂之间的界面性能，实验结果表明氧化石墨烯的加入提升了复合材料的界面性能和拉伸性能，当氧化石墨烯的含量分数为 5% 时，复合材料的截面剪切强度、层间抗剪强度和拉伸性能得到了最大的提升。Chen 等人将氧化石墨烯引入到二氧化硅表面形成了一个球 - 壳结构的复合填料并将其添加到环氧树脂中，得到了具有优异机械性能的复合材料，作者认为超薄的氧化石墨烯覆盖在二氧化硅表面是提升复合材料机械性能的主要原因，作为一种特殊的偶联剂，氧化石墨烯有效地提升了二氧化硅与环氧树脂之间的界面相互作用。此外，氧化石墨烯不仅能够提升环氧树脂涂层的防腐耐磨性能，而且与环氧树脂和无机填料之间均有良好的结合面，因此可用于改善无机填料与环氧树脂之间的结合面，以提升涂层的防腐耐磨性能。

不同晶畴尺寸的石墨烯

    目前石墨烯的应用存在几个问题 :

    1，石墨烯规模生产还有很多工作要做；

    2，石墨烯在防腐中必须表面改性，尤其是石墨烯表面氧化改性之后，与环氧等树脂改性、复合性能得到大幅提高，但氧化石墨烯部分性能下降较多，例如稳定性下降不少。

    参考文献

    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. 董树梅 . 氧化石墨烯改性及其环氧树脂复合材料的制备研究 [D]：[ 硕士学位论文 ]. 上海：华东理工大学，2011

    注：本文参考文献共 33 个，若需了解全部参考文献，请联系本刊编辑部。

    作者简介

    林安，博士，教授，博士导师，武汉大学资源与环境科学学院工作。

    1985.7－2003.7，在原机械工业部武汉材料保护研究工作，所长，研究员。主持国家“七五攻关项目”、参加“八五攻关项目” 曾获省部级科技进步二等奖、三等奖。

    2003.8-现在，在武汉大学资源与环境科学学院环境工程系工作，教授，参加国家自然科学基金重大项目、国家科技部863项目、国家电网等项目研究。至今已在国内外期刊发表论文80多篇，获得专利7项，协助指导博士十余名，指导硕士二十余名。

    兼任社会职务：国际表面精饰联盟副主席、中国腐蚀与防护学会 （6、7、9届）副理事长、中国机械工程学会常务理事，中国表面工程协会（5届）副理事长、武汉大学学术委员会委员（第一、二届）、湖北省船舶与海洋工程领域专家、《中国表面工程》、《装备环境工程》等编委。著有《功能性防腐涂料》等。