图 4b 为采用 20G 钢基体电弧喷涂涂层横截面组织形貌照片。从图 可以看出，经过电弧喷涂的涂层呈现出典型的层状组织结构特征，即为 波浪状。在基体与涂层的结合界面上有一层熔化不太充分的粒子。发 生此现象的原因可能有两方面：一方面是在运行途中的边缘粒子冷却 很快，使到达基体时温度降低较大。另一方面可能是被喷涂基体的预 热不够充分，从而导致起初到达基体的粒子发生不充分的变形。这两 方面的原因有可能致使涂层与基体的结合强度偏低，并造成了涂层空 隙率偏高，可能达到了 5%[7]。
a（100×）
b（300×）
图 4 电弧喷涂涂层/基体界面的金相组织(a)及 S因此在熔覆过程中不容易产
生未熔化的颗粒，同时孔隙率也较少，熔覆层组织晶粒小，且分布均匀，
没有层状现象产生，熔覆层与基体是良好的冶金结合。氩弧功率密度
墨烯虽然被充分干燥，但仍然存在有水分子，这与氧化石墨不可能完全
干燥相吻合。氧化石墨烯中残存的水分子对 3000-3700cm-1宽吸收峰
也有贡献；在 1720cm-1处的吸收峰归属于氧化石墨的羧基上的 C=O 的
伸缩振动峰；在 1062cm-1处出现的吸收峰归属于 C-O-C 的振动吸收峰，
而 869cm-1附近的吸收峰则为环氧基的特征吸收峰。这说明本实验条
接加工出半导体器件【7】和连线来获得全碳集成电路。此外人们也预测
它会在信息、能源、材料和生物医药等领域有广阔的应用前景。 2.石墨烯的热导率 Balandin 等人【8】在 2008 年通过比较单层石墨烯在有 Raman 激发光
时的 G 峰频率与没有激发光激发时的 G 峰频率的变化得到了室温下石 墨烯的热导率系数在(4.84±0.44)×103-(5.30±0.48)×103W·m-1·K-1，这 一结果甚至好于碳纳米管在高温条件下的热导率系数。如此优良的热
还有其与 Si/SiO2基片的相互作用的结果。 5.石墨烯的铁磁性质 有机物的磁学性质因为其在基础领域和技术领域的广阔发展空
间，已经被人们探索了很长时间，然而这部分研究主要集中在非常低的
温度下，随着 2001 年三角晶系的 C60的发现【15】，人们普遍认为一种碳基 结构的非金属的铁磁体是有可能存在的，目前争论的焦点在于铁磁现
1.引言 研究人员分别从不同的角度展开描述了石墨烯优异的物理和材料
特性 ，例如，石墨烯的强度是已测试材料中最高的【2】，达 130 GPa，是钢 的 100 多倍；其载流子迁移率达 15000cm2·V-1·s-1是目前已知的具有最 高迁移率的锑化铟材料的两倍【3】，超过商用硅片迁移率的十倍以上，如
成的，在 200-300℃之间的范围的质量损失，则可能是氧化石墨烯中含
氧基团发生热分解，生成了 CO、CO2、H2O 等。当氧化石墨烯还原成石墨 烯后，在 150℃以下的温度范围内的轻度质量损失，是少量吸附的水分
子挥发造成的，在 150-600℃之间的温度范围内，质量损失没有出现明
显的下降。这说明氧化石墨烯被还原生成石墨烯后，大部分含氧基团
导率特性使石墨烯在电子方面和温度处理方面都将成为一种重要的材
料。实验将单片石墨烯悬挂于基片上刻蚀的一条 3μm 的槽沟之上，用 聚焦激光束加热片层中间部分，最后通过能量在片层的输运分析得出
单片石墨烯的导热系数。而且试验测定出，石墨烯中的电子运动速度
达到了光速的 1/300，远超过了电子在一般导体中的运动速度，因而电 子穿过石墨烯时基本没有什么阻力，所产生的阻力也非常小，所以它有
墨的结构还是有差别的。
6.3 X 射线衍射分析
石墨在 2θ约 26°附近出现一个很尖很强的衍射峰，即石墨（002）面
的衍射峰，说明纯石墨微晶片层的空间排列非常规整。石墨被氧化后，
石墨（002）面的衍射峰非常小，但在 2θ约为 10.6°附近出现很强的衍射
峰，即氧化石墨（001）面的衍射峰。这说明石墨的晶层被破坏，生成了
望打破硅基芯片由于产热问题而难以解决的速度极限。 3.石墨烯的机械性能 目前对石墨烯的机械性能的测定主要集中在石墨烯的聚合物复合
材料，氧化石墨烯纸及凝胶的机械性能的研究，Brinson 等人【9】系统的研 究了功能化石墨烯-聚合物复合材料的性能，发现石墨烯的加入可以使 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的杨氏模量和强度等有大幅度的提高，并 且石墨烯的效果远好于单壁碳纳米管和膨胀石墨；Chen 等【10】制备的磺 酸基以及异氰酸酯功能化的石墨烯与热塑性聚氨酯（TPU）的复合材料 也发现只需加入 1%（wt）的石墨烯，就能使 TPU 复合材料的强度提高 75%，模量提高 120% 。Dikin 等 通 【11】 过对氧化石墨烯的胶状悬浮液进 行阳极氧化膜过滤，在水流的作用下实现石墨烯片的定向流动组装，制
象的出现是不是由于磁性金属杂质的影响（其中金属杂质主要是在制
备氧化石墨烯过程中产生），Wang【6】的实验也证实了磁性金属杂质的存
在，但其浓度远低于（约 2 到 3 个数量级）由实验数据得出的浓度。所以
Wang 得出结论是由于石墨烯结构在制备过程中产生的拓扑缺陷和空
位等原因造成的铁磁现象。
6.石墨烯的光谱学特性表征
含氧基团基本已被脱去。
6.2 拉曼光谱
拉曼光谱是碳材料分析与表征的最好工具之一。石墨仅在
1576cm-1 处存在一个尖而强的吸收峰（G 峰），对应于 E2g 光学模的一阶 拉曼散射，说明石墨的结构非常规整。当石墨被氧化后，氧化石墨的 G
峰变宽，且移至 1578cm-1处，并且还在 1345cm-1处出现一个新的较强的
两个峰（D 与 G）的强度比高于氧化石墨的，表明石墨烯中 sp2杂化原子
数比 sp3杂化碳原子数多，也就是说石墨烯中 sp2碳层平面的平均尺寸比
氧化石墨的大。这说明了在本实验条件下氧化石墨被还原时，它只有
一部分 sp3杂化碳原子被还原成 sp2杂化碳原子，即氧化石墨的还原状态
结构不可能完全恢复到原有的石墨状态，也就是说石墨烯的结构和石
弧重熔电弧喷涂合金涂层后，涂层经表面改性后，涂层内部结合致密， 涂层与基体达到冶金结合[8]，且提高了整体的硬度和韧性，对其在恶劣 的工况条件下工作是非常有利的。
3.结论 以解决水冷壁管磨损问题为出发点，本论文提出了独特的用氩弧 重熔，并在制备过程中采用水冷来制备涂层的方法以求解决磨损问 题。本实验室独立开发了自动水冷壁管熔覆设备及相应的防变形和水 冷却设备，并制作出了性能优良的水冷壁熔覆层。对熔覆层利用各种 性能检测手段检测后得出以下结论： （1）氩弧熔覆层很好地解决了一般热喷涂涂层结合不紧固的缺 点。通过能谱分析得出氩弧熔覆层是具有冶金结合的熔覆层。基体中 的铁元素和熔覆层中的铬元素相互渗透，形成了共融体。 （2）通过电镜照片分析，熔覆层内组织分布均匀，整个影响区域可 以分为三个部分：熔覆层，过渡区，基体。整个区域内没有空隙，质地紧 密。熔覆层中的裂纹较少。对熔覆层和 20G 钢做高温冲蚀试验得出， 熔覆层有着良好的耐高温冲蚀性能。其冲蚀类型介于塑性和脆性之 间，并以塑性磨损为主，表现出比 20G 钢更好的耐磨损性能。
成了无支撑氧化石墨烯纸状材料。氧化石墨烯是由一种近似平行的方
式相互连接或瓦片式连接在一起而形成的，拉伸试验表明氧化石墨烯
具有较高的拉伸模量和断裂强度，其平均模量为 32GPa，性能与碳纳米 管布基纸相当。Xu 等【12】制备了自组装石墨烯水凝胶并指出一方面构 成水凝胶的石墨烯片具有很高的杨氏模量（约 1.1TPa）和断裂强度（约 125GPa），另一方面石墨烯片的大共轭结构更易于实现π堆积而使片与 片之间结合得非常紧密。通过π-π堆积相互作用形成的凝胶也就具 有其它常规凝胶不具有的强度。Changgu Lee【13】将单层石墨烯片覆盖到 直径在 1-1.5μm 的圆形小孔上，并用 AFM 的探针针尖压膜的中心的方 法测量计算了单层石墨烯片的杨氏模量等参数。
新的晶体结构。当氧化石墨被还原成石墨烯，石墨烯在 2θ约 23°附近出
现衍射峰，这与石墨的衍射峰位置相近，但衍射峰变宽，强度减弱。这
是由于还原后，石墨片层尺寸更加缩小，晶体结构的完整性下降，无序
度增加。
7.石墨烯与氧化石墨烯的性能差异
氧化石墨烯在测试温度范围内出现了两次明显的质量损失。在温
度低于 150℃范围内的质量损失主要是氧化石墨吸附水分子的挥发造
4.石墨烯的电学性质 Chen【14】在 2008 年通过对以 SiO2为基底的石墨烯的外部条件进行极 限化，得出石墨烯在理想条件下的载流子迁移率可以达到 4×104cm2· V-1·s-1，这已经与最好的场效应晶体管相媲美了，而且室温下石墨烯在 悬浮状态下的载流子迁移率更是有可能高达 2×105cm2·V-1·s-1，这势必 会极大地加强石墨烯场效应器件的化学灵敏度和在高速模拟电子设备
等方面的应用。除此之外，石墨烯在微米长度的弹道传输有可能实现室
温条件下基于量子传输操作的新的电子器件的制备。单层化学还原的氧
化石墨烯的电学特性被认为是温度与外加电场的函数，Navarro 主要研 究了还原后的氧化石墨烯层的电子传输特性【14】，首先是完全还原的石
墨烯在室温条件下的电导率为在 0.5-2S/cm 之间，并且同等条件下载流 子的迁移率也只有 2-200cm·2 V-·1 s-1。随后他们又通过对比试验的方法 揭示了多层石墨烯的最底层的电导率的下降除了由于还原不充分外，
高校理科研究
石墨烯物理性质的研究进展
科技信息
聊城大学 赵力涛 王文军
［摘 要］从 2004 年曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆（Andre K·Geim）【1】首次制造出石墨烯以来，它的独特性质就吸引了众多领域的科 学家的注意。理想的石墨烯就像一张由碳原子组成的正六边形的网，被公认为是人类已知的最薄的材料，它打破了自由态的二维晶 体结构热力学稳定性差、不能在普通环境中存在的说法，并且充实了碳材料家族，形成了从零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的 石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。 ［关键词］石墨烯 氧化石墨烯 拉曼光谱