نانوکامپوزیت گرافنی
معرفی

در این کامپوزیت‌ها وجود گرافن سبب می‌گردد که رسانایی و استحکام مواد توده ای (سه بعدی) افزایش یابد. به علاوه در این کامپوزیت‌ها می‌توان از گرافنی استفاده نمود که با روش‌های ارزان تری تولید شده‌است. به عنوان مثال لایه برداری از گرافیت یکی از روش‌های ارزان تولید گرافن است. گفتنی است که بسیاری از مواد هنگامی که به شکل توده ای هستند، نسبت به شکل تک لایه ای (دوبعدی) خود رفتار متفاوتی نشان می‌دهند. منشأ این اختلاف رفتار، نیروهای ضعیفی است که تعداد زیادی تک لایه را در کنار هم نگه می‌دارند و یک توده از آن ماده را ایجاد می‌کنند. از آنجا که تولید مواد به شکل تک لایه و در ابعاد بزرگ با چالش‌هایی همراه است و تقریباً غیرممکن می‌باشد، استفاده از شکل توده ای ماده می‌تواند راه ساده ای برای بهره‌گیری از خواص منحصر به فرد تک لایه‌ها باشد.
امروزه محققان توانسته‌اند با افزودن مقدار کمی گرافن به فلزات، پلیمرها و سرامیک‌ها، موادی چقرمه و سبک تولید کنند. معمولاً کامپوزیت‌ها نسبت به مواد توده ای خالص از رسانایی الکتریکی بیشتری برخوردار هستند و در مقابل حرارت نیز بیشتر مقاومت می‌کنند. پیش از گرافن، اکثر پژوهش‌های روی نانوکامپوزیت‌های پایه پلیمری تهیه شده از نانولوله‌های کربن با هدف استفاده از خواص مکانیکی، رسانایی الکتریکی و مقاومت در برابر حرارت بی نظیر نانولوله‌های کربن متمرکز بود. با این وجود همچنان مشکلاتی در راستای تهیه نانولوله‌های کربنی وجود دارد که باید رفع شوند تا کاربرد آن‌ها ارتقا یابد. یکی از این مشکلات، قیمت بالای این مواد است؛ گرافن جایگزین مناسبی برای تولید آن نانوکامپوزیت‌ها است. افزون براین، ایجاد گروه‌های عاملی روی سطح گرافن، سطح ویژه زیاد گرافن و قدرت بالای چسبندگی بین سطح مشترک گرافن و ماده منتخب، خواص نهایی نانوکامپوزیت را ارتقا می‌دهد.
در سال ۲۰۱۲ میلادی، محققانی از کشور آلمان عملکرد کامپوزیت لاستیک استایرن بوتادین/نانو صفحات گرافن را ارزیابی نمودند. سپس عملکرد این کامپوزیت، عملکرد کامپوزیت لاستیک استایرن بوتادین/نانو لوله‌های کربن و عملکرد کامپوزیت لاستیک استایرن بوتادین/گرافیت قابل انبساط را با یکدیگر مقایسه کردند. گفتنی است که لاستیک استایرن بوتادین یک نوع لاستیک خودرو می‌باشد. نانو صفحات گرافن خواص الکتریکی لاستیک استایرن بوتادین را افزایش داده بودند. به عبارت دیگر با افزودن نانو صفحات گرافن، مقاومت ویژه این لاستیک ۱۵٪ کاهش یافت. در حالیکه افزودن نانولوله‌های کربن چند دیواره مقاومت ویژه لاستیک را تنها ۵٪ کاهش داده بود. لازم است ذکر شود که مقاومت ویژه از مشخصات ماده اولیه است و کمتر به نمونه ساخته شده از آن مربوط می‌شود. برای آزمایش خواص مکانیکی کامپوزیت لاستیک استایرن بوتادین/نانو صفحات گرافن نیز از روش‌هایی نظیر آنچه در بالا گفته شد، استفاده گردید. نتایج آزمایش‌ها حاکی از آن بود که نانولوله‌های کربن چند دیواره بیشتر از نانو صفحات گرافن، استحکام کششی لاستیک استایرن بوتادین را افزایش می‌دهند. زیرا نانولوله‌های مذکور در غلظت پایین نیز به صورت شبکه در می‌آیند. البته عملکرد نانو صفحات گرافن نیز خوب بود. اگرچه نانولوله‌های کربن چند دیواره در کامپوزیت‌های لاستیک استایرن بوتادین از خود عملکرد بهتری نشان می‌دهند، اما برای تولید انبوه این لاستیک‌ها استفاده از نانو صفحات گرافن مقرون به صرفه تر است.
هدف از ساخت نانوکامپوزیت‌های پایه گرافنی با پلیمر پراکندگی کافی، یکنواخت و همگن گرافن در زمینه است تا خواصی مانند خواص مکانیکی بهبود یابد. لازمه تحقق این هدف درفصل مشترک گرافن با پلیمر مورد نظر و ضریب شکل پرکننده کامپوزیت نهفته‌است. گرافن به کار رفته برای ساخت نانوکامپوزیت‌ها به صورت پولک یا فیلم‌های پیوسته‌است. درصورتی که از گرافن پولکی استفاده شود لازم است تا پولک‌ها به اندازه میکرون باشند و اگر از نوع فیلم استفاده می‌شود بهتر است در ابعاد میلی‌متر باشد.
برای تولید کامپوزیت با فیلر گرافنی از روش اختلاط محلول‌ها، اختلاط مذاب یا پلیمریزاسیون درجا استفاده می‌شود. عواملی که در در انتخاب گرافن مؤثر است شامل موارد زیر است:
خواص، شکل یا مورفولوژی محصول گرافنی مورد نظر
کیفیت و کاربرد مواد گرافنی
مقیاس تولید گرافن از نوع آزمایشگاهی تا صنعتی
پایداری گرافن و قابلیت کنترل فرایند تولید گرافن.
با توجه به موارد فوق استفاده از روش تورق گرافیت، تورق یا احیای اکسید گرافیت یا روش CVD برای تولید گرافن در ساخت این نوع کامپوزیت کاربردی است.