简介及目的
自然界中存在大量的石墨材料，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。单层石墨被称为石墨烯，在自由状态下不存在该物质，都以多层石墨烯层叠的石墨片的形式存在。由于石墨片的层间作用力弱，可通过外力进行剥离，从而获得只有一个碳原子厚度的单层石墨烯。
超声分散是一种可靠的方法，可以从石墨薄片或颗粒中生产出石墨烯层。其他常见的分散技术（例如球磨机，辊磨机或高剪切混合器）容易受到使用侵蚀性试剂和溶剂的影响。而超声波分散技术能够很好得克服这个问题，高效地制备石墨烯材料。
超声波石墨烯分散
图-1
超声波分散会使液体中的石墨烯转变为分散状态，即由于超声波振动效应而对固体或流体进行精细或超精细的超声研磨。由于在液体介质中产生的超声场的特殊性，超声分散提供了高度分散的均匀，化学纯净的悬浮液（粒径小于1μm）。
什么是石墨烯
石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯的碳原子厚的碳薄片通过非键合相互作用形成石墨并且具有极大的表面积。它是宇宙中最薄的物质也是有史以来最坚固的物质。其表现出巨大的本征载流子迁移率，具有最小的有效质量（为零），可以在室温下进行微米长距离的传播而不散射。石墨烯可以维持比铜高6个数量级的电流密度，显示出创纪录的热导率和硬度，不透气，并能调和脆性和延性等相互冲突的特性。石墨烯中的电子传输用狄拉克式方程描述，该方程允许在台式实验中研究相对论量子现象。
石墨烯（少层）
图-2
超声波制备石墨烯的原理
超声制备石墨烯基于空化效应，不会破坏石墨烯内部的量子结构。超声空化通过高功率超声波，可以产生高频振幅。高功率超声可以用于液体的处理，例如混合、乳化、分散和解聚或研磨。当以高强度超声对液体进行处理时，传播到液体介质中的声波会导致交替的高压（压缩）和低压（反射）循环，速率取决于频率。在低压循环中，高强度超声波会在液体中产生小的真空气泡或空隙。当气泡达到无法吸收能量的体积时，它们会在高压循环中剧烈塌陷。这种现象称为空化。
空化作用
图-3
超声波分散设备会将高频振动传递到液体中，这种机械应力的施加能使石墨烯颗粒的团聚分开。在对液体进行超声处理时，传播到液体介质中的声波导致高压（压缩）和低压（反射）循环交替进行。液体中的超声空化会导致高达1000 km / h（约600 mph）的高速液体射流。这种射流在颗粒之间以高压挤压液体并将石墨烯彼此分离。较小的颗粒会随着液体射流而加速并高速碰撞。高速碰撞产生的高强度的冲击波不断作用在石墨体表面，石墨会反射并产生拉应力。当大量的微气泡破裂时，石墨薄片之间的拉伸应力不断增加，石墨烯薄片会逐渐被剥离。
石墨烯的剥落与分散
如果要将石墨烯作为材料应用，必须先将石墨烯均匀地分散到配方中。由于石墨烯具有疏水性，在没有表面活性剂或分散剂的进行稳定的情况下，想获得高浓度的石墨烯分散体是个困难的事情。
石墨烯纳米片（GNP）可以通过大功率超声处理将石墨在溶剂中剥离而制成。超声剥离的石墨烯可以用生物聚合物官能化以获得水分散性石墨烯。通过超声空化，可以将合成的石墨烯进一步加工成稳定的水基分散体。将石墨烯纳米混入液体中很容易发生团聚现象，超声分散能够将在水和非水悬浮液中团聚的石墨烯破碎，可以发挥纳米材料的全部潜能。
氧化石墨烯是水溶性的，可以轻松地分散成稳定的胶体。超声波剥落和分散是一种非常有效，快速且经济高效的方法，可以在工业规模上合成，分散和功能化氧化石墨烯。为了控制氧化石墨烯（GO）纳米片的尺寸，剥落方法起着关键作用。由于其精确可控的工艺参数，超声剥离是生产高质量石墨烯和氧化石墨烯时使用最广泛的分层技术。
石墨烯
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超声波辅助液相剥落
液相剥落（LPE）是一种用于石墨烯薄片剥落的有效方法。主要原理是将石墨或者氧化石墨作为原料加在某种特定的溶剂或者表面活性剂中搅拌热插层，形成石墨烯预处理液，再借助大功率超声设备发出的超声波将石墨烯从石墨表面剥离出来。
液相剥离方式
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超声波辅助石墨烯剥落影响因素主要是超声波的空化作用与高剪切力。超声波处理过程中的空化作用使得分散在溶剂中的石墨被挤压破碎。而超声波的剪切力能使得溶剂形成微射流冲击石墨表面，促进石墨层与层之间的分离。
总结
高功率超声系统可以用于石墨烯和氧化石墨烯的剥离、分散和制备。可靠的超声波处理器和先进的反应堆可提供石墨烯处理所需的功率，精确的控制的加工条件，从而可以将超声波加工结果精确地调整到所需的加工目标。
石墨烯超声分散系统
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