基于石墨烯纳米复合材料及超结构的电磁屏蔽和声学特性研究

发布时间：2020-04-16 10:06

【摘要】：石墨烯凭借其特殊的力学、电学、光学及热学等性能,可作为优异的纳米填充材料引入到聚合物基体中,通过物理吸附或化学键等作用连接在一起,改善聚合物本身绝缘和机械性能差的缺点,从而得到更多功能性的石墨烯基复合材料,扩宽了石墨烯及聚合物的应用领域。但仅从材料制备角度去提高材料的单一使用功能,已不能满足人们对多功能材料/结构的需求。因此,如何结合材料与结构优势,构筑多功能材料成为材料科学研究领域的一个关键热点问题。本文以石墨烯为基本材料,从设计多功能材料/结构的角度出发,或通过与聚合物复合得到石墨烯基纳米复合材料,或通过引入声学超结构,设计和制备了基于石墨烯的纳米复合材料及超结构,分别对复合材料的力学、电磁屏蔽和声学等综合性能及作用机制进行了分析,并对其潜在的应用前景进行了探索。本文主要研究内容如下:从传统材料的改性入手,将液相剥离得到的石墨烯片层通过喷雾干燥与平板热压相结合的方式引入到丁苯橡胶乳液中,成功制备了不同石墨烯掺杂含量的石墨烯/橡胶复合材料。石墨烯片层与橡胶基体的界面作用,有效提高了复合材料的力学性能,当石墨烯掺杂含量为15 vol%时,杨氏模量提高30倍。同时石墨烯在橡胶基体中形成交联的网络结构,赋予了石墨烯/橡胶复合材料良好的导电和导热性能,当引入15 vol%石墨烯时,导电和导热率分别为219 S/m和2.922 W m~(-1) K~(-1),相比于纯橡胶分别提升了100倍和13倍。具备优异性能的石墨烯/橡胶复合材料能用作导热界面材料。同时在X波段(8-12 GHz),电磁屏蔽效能均值可达45 dB。我们也将其应用于水声吸声材料,在6-30 kHz的水声吸声系数超过0.8,而且在0.1-5.5 kHz范围内,随着静水压的增大仍能保持较好的水声吸声性能。因此,石墨烯/橡胶复合材料作为多功能材料将在多种特殊应用环境得到进一步应用。为解决传统材料无法解决的低频降噪问题,我们通过将声学超结构与石墨烯材料结合,成功设计制备了兼具声学和电磁双屏蔽功能的石墨烯基超结构。结构中的石墨烯薄膜制备采用冷冻干燥和平板热压相结合的方法,其具有1580S/cm导电率和3.5 GPa的杨氏模量。并首次通过无损检测——声学方法研究了石墨烯薄膜的声学性质和本征模态。将石墨烯薄膜与人工蜂窝结构复合在一起得到三明治结构,通过调控石墨烯薄膜厚度、蜂窝孔径等参数,有效地调控了电磁屏蔽效能和器件的隔声性能,在8-12 GHz具有74 dB以上的电磁屏蔽效能。同时在200-1500 Hz的频率范围具有20 dB以上的声衰减性能,并在200 Hz的低频处达到40 dB,打破了质量密度定律。石墨烯基超结构同时实现了声学和电磁的双屏蔽,并通过简单的演示实验进一步证明了双屏蔽效果。为实现声学频率的主动调谐,采用两性分子聚乙烯醇作为化学胶黏剂粘结石墨烯片层,通过改变引入的石墨烯含量,利用刮涂法成功制备了一系列聚乙烯醇/石墨烯复合薄膜。石墨烯的引入,有效提高了纯聚乙烯醇薄膜的力学性能和导电导热性能。当石墨烯引入24.3%时,杨氏模量提高1.5倍,导电率为44.7S/m,相比纯绝缘聚乙烯醇薄膜增大100倍。我们通过调节负载在薄膜上的外电场电压,改变了复合薄膜温度从而调控了薄膜模量,而通过调控模量的变化即能实现复合薄膜的第一反共振频率的调控,从而解决了特殊环境中频率不断变化的噪音问题,得到了能够主动调谐的声学薄膜。另外测试了石墨烯/聚乙烯醇复合薄膜的电磁屏蔽性能,达到商业使用价值。
【图文】：

分子模型,石墨,单层

题背景及研究目的与意义墨烯是由单层碳原子以 sp2杂化方式相互连接形成的二维（2D）[1, 2]，可看作是所有 sp2杂化的碳同素异形体（例如石墨、纳米管基本构件，如图 1-1 所示。自 2004 年，英国科学家 Andre Geim 和 Koelov 以胶带剥离方法成功从石墨中剥离出石墨烯，石墨烯凭借其势，优异的物理、化学和机械性能，获得了 2010 年度的诺贝尔物理速吸引了材料领域的广泛关注[3-6]。有独特单层 2D 晶体结构的单层石墨烯厚度仅为 0.335 nm，是目材料[7]。石墨烯属于半导体，其导带和价带在布里渊区的 K 点退子迁移率高达 250000 cm2V-1s-1，比硅高两个数量级[8]。单层石杨氏模量能达到 1.0 TPa，而断裂强度为 130 GPa，是传统钢铁材料外，石墨烯还具有理论值达 2630 m2g-1的超高比表面积[10]，室温K-1的热导率[11]和不受波长影响的 97.3%的透光率[12]，这些优异的在电子器件、储能材料、传感器、光学器件、催化剂、生物医学料等领域具有广阔的应用前景[13-18]。

聚合物共混,非共价,石墨,杂化

sp2杂化碳（石墨烯）和聚合物之间的相互作用：非共价作用（如 π π 作用作用、静电作用和聚合物共混[2] Molecular models of sp2hybridized carbon (graphene) displaying different intlymer matrices: non-covalent interactions (e.g. π π interactions), covalent inteelectrostatic interactions and polymer blending[2]仅从材料制备角度去提高材料的单一使用功能，已不能满足人们/结构的需求。通过调研，到目前为止并没有一种材料或结构能同噪声污染问题。因此，本文基于石墨烯材料的优异性能，一方面度入手，将其作为纳米填充物引入到聚合物中，，改善原始基体材、不导电不导热等缺点；另一方面引入声学超结构，提高复合材，针对解决特殊应用需求。制备和设计的石墨烯基纳米复合材料别从材料性能优势和结构可设计性着手，实现了声学和电磁的双同时解决环境噪声及电磁污染问题提供了更多的可能，具有巨大墨烯基纳米复合材料的研究进展
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33

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