目前市場上已經有多種設備用于石墨烯聚合物復合材料微觀結構的表征,，但因為許多儀器本身的局限性,，使得自由體積及其分數,、界面相互作用等微觀結構的表征非常困難,，難以構建微觀結構與宏觀性能之間的關系；而自由體積關乎材料的相變溫度,、電導率,、熱導率和阻隔性等方面性能。

測試原理 

        當放射性同位素（如Na-22）產生的正電子進入材料后材料后,，會與材料中的電子發(fā)生湮沒,，正電子產生到湮沒的時間差稱為正電子湮沒壽命，根據湮沒方式的不同,，正電子會有不同的壽命,。

        對于聚合物材料，正電子主要有兩種湮沒類型：

        1.正電子直接與材料中的電子發(fā)生湮沒,；

        2.正電子在孔洞及自由體積內會與電子形成類氫原子的束縛態(tài)（類似正電子為原子核的氫原子）,，稱為電子偶素（positronium），電子與正電子的自旋方向平行為正-電子偶素（ortho-positronium,，簡寫為o-Ps）,，電子與正電子的自旋方向反平行為仲-電子偶素（para-positronium，簡寫為p-Ps）,。電子偶素在形成后也會發(fā)生湮沒,，真空中的湮沒壽命分別為125ps（p-Ps）和142ns（o-Ps）。 在聚合物中,，一般會存在三種不同的正電子湮沒壽命：

            ●第yi壽命（200ps附近）：對應于p-Ps湮沒類型 

            ●第二壽命（400ps左右）：對應與正電子與材料中電子的直接湮沒 

            ●第三壽命（1-5ns）：正對應與o-Ps湮沒類型 使用專業(yè)軟件對正電子湮沒壽命譜進行解譜可以獲得第三壽命τ3的值,，進而計算材料中的自由體積半徑 

        式中R為自由體積半徑，ΔR為經驗修正系數0.166 nm

典型案例 

?? 案例1. 自由體積與相變溫度 

        ● 氧化石墨烯添加量對聚氨酯自由體積分數的影響：隨著氧化石墨烯質量分數的增加（0～2.0％）,，復合材料的自由體積分數先降低后增加,，與玻璃化溫度的變化一致。添加量質量分數為0.5％時自由體積分數最小,，聚氨酯鏈段運動的空間最小,，玻璃化溫度最-高。

        ●石墨烯添加量對聚乙烯自由體積分數的影響：隨著石墨烯質量分數的增加 （0～2.0％）,，復合材料的自由體積分數逐漸降低,，熔點逐漸升高

?? 案例2. 自由體積與電導率

        ●γ輻射對聚乙烯醇／聚乙二醇／石墨烯復合材料電導率影響：建立了電導率與自由體積的數量關系，通過擬合電導率和自由體積 的結果,，得到了離子傳輸的最小孔洞尺寸為80.34?,。

       ●利用正電子湮沒實現了聚碳酸酯／石墨烯復合材料電導率與自由體積分數的關聯方程式，并且該方程可用于類似復合材料電導率變化的解釋,。

?? 案例3. 自由體積與阻隔性

       ●還原的氧化石墨烯和石墨烯量子點摻雜的海藻酸鈉膜材料對醇／水分離效果的影響：共同摻雜膜的自由體積尺寸明顯小于石墨烯單獨摻雜的膜材料,，共摻雜膜材料的平均孔徑為3.11?，大于水分子的動力學直徑2.6?,，小于甲醇分子的動力學直徑3.8?,，因此共摻雜的膜材料具有優(yōu)異的醇／水分離性能,。

       ●磺化氧化石墨烯的取向對Nafion膜氣體阻隔性能的影響：通過正電子湮沒測定了不同取向情況下復合膜的自由體積分數，利用相關方程式進行了自由體積分數與擴散系數的關聯,，從而揭示了磺化氧化石墨烯取向的影響,。

?? 案例4. 自由體積與熱導性

       ●石墨烯添加量對聚乙烯醇復合材料熱導率的影響：隨著自由體積空洞濃度的增加熱導率顯著降低，通過擬合實驗結果得出了自由體積分數與熱導率的數量關系,。

        正電子湮沒技術不僅能揭示石墨烯聚合物復合材料的自由體積特性,，現在還能用于聚合物與石墨烯等填料間界面相互作用強度的研究，為該類復合材料結構與性能關系的構建提供了一種新的研究方法,。結合材料的凝聚態(tài)物理模型,，可以構建該類復合材料自由體積分數與宏觀電導率、熱導率,、阻隔性能的數量關系,，為石墨烯聚合物復合物材料的精準構筑奠定了基礎。