石墨烯导电复合结构的制备及性能调控

发布时间：2020-05-21 00:35

【摘要】：自从2004年被发现以来,石墨烯以其独特的二维结构和优异的物理性质受到世界范围内的广泛关注。石墨烯作为新型导电填料在功能复合材料领域具有广阔的应用前景,然而石墨烯的二维层状结构易于发生蜷曲团聚,从而导致石墨烯在作为填料时出现难以均匀分散、掺量高、电热传输性能提升不显著等问题。对于石墨烯功能复合材料而言,其性能的关键在于石墨烯导电网络在空间上的高效伸展构筑。本论文从石墨烯的边缘改性以及石墨烯在纤维和微球表面的取向包覆与构筑出发,获得具有优异电子传输性能以及高效伸展的导电网络,以便推动石墨烯在功能复合材料领域的应用进程。本论文以石墨烯在导电复合材料领域的应用为导向,重点研究石墨烯导电复合结构的制备与性能调控,主要内容如下:(1)对石墨烯进行化学改性的同时保持石墨烯的结构完整性,是制备高性能石墨烯纳米复合材料中的的关键。本论文利用石墨烯边缘与晶格内部的碳原子在反应活性上的差异,以大尺寸的少数层石墨烯为前体,采用物理裁剪与化学氧化相结合的方法制备出边缘氧化的石墨烯。运用一系列表征手段对改性石墨烯的微观结构与化学组成进行分析,比较了不同制备条件对改性产物结构和性能的影响。结果表明,对石墨烯的边缘氧化可以在显著提高石墨烯水溶性的同时保留其良好的导电能力:当改性石墨烯分散液的Zeta电位达到-32.8 mV时,其体积电导率为320.3 S/cm,占石墨烯原料的40%以上,这主要归因于边缘氧化石墨烯兼具丰富的边缘含氧官能团和完好的内部结构。(2)将二维的石墨烯涂覆在纤维状模板表面,是一种构建石墨烯长程导电通路的有效方法。本论文结合石墨烯的溶胶-凝胶自组装技术与浸渍提拉工艺,在玻璃纤维表面制备出连续的石墨烯导电涂层。借助Landau-Levich方程和Plateau-Rayleigh不稳定分析了不同制备工艺对石墨烯涂层形貌、厚度和均匀性等方面的影响。石墨烯涂层改变了玻璃纤维的浸润性,使其对水的接触角从纯玻璃纤维的23°逐步提高到105°。另一方面,石墨烯赋予了纤维较好的导电能力,纤维单丝的体积电导率可达到24.9 S/cm。通过进一步分析发现该方法制备的石墨烯涂层具有梯度结构,其致密性与还原程度均与浸渍提拉过程有关。(3)实现石墨烯导电网络的伸展是制备高性能导电复合材料的前提。本论文提出了一种在微球表面包覆石墨烯的新方法。将石墨烯与空心玻璃微珠同时束缚在乳液的分散相液滴内部,乳液挥发后得到石墨烯包覆的空心玻璃微珠,其中石墨烯占复合微球质量分数的3%。本论文重点分析了制备过程中各要素需满足的条件与发挥的作用,并将该石墨烯包覆微球作为填料加入到硅橡胶之中,制备导电复合材料。当石墨烯的含量为1.2 wt%时,复合材料的电阻率为3.16×105Ω·cm,较石墨烯与空心玻璃微珠等比例各自填充的复合材料低6个数量级。其原因在于石墨烯在刚性模板的支撑下能够在聚合物基体中保持良好的伸展状态,从而有利于复合材料中石墨烯导电网络的建立,有效降低了复合材料的渗滤阈值。
【图文】：

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钾购自国药化学试剂公司。所有试剂均为分析纯，未做额外处理直接使用。逡逑２．２．２石墨烯的机械剪裁逡逑向高速万能粉碎机（图２－１所示，型号：ＦＷ－１００，北京市永光明医疗仪器逡逑有限公司制造）中填充５．０邋ｇ石墨稀粉末，启动电源进行粉碎。为防止电机过热，逡逑机械剪裁过程以间歇的方式进行。具体实施方式是粉碎机先工作５邋ｍｉｎ，然后切逡逑断电源静置１５邋ｍｉｎ。这一过程重复多次，得到机械剪裁的石墨烯，，命名为ＳＧ。逡逑——＇邋Ａ邋，逦ＭＷ邋＇＇＂ｉ逦ｗａｒｎ逡逑灥逡逑图２－１⑷粉碎机的外观，（ｂ）腔体内部以及（ｃ）石墨烯原料的数码照片逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｔｈｅ邋ａｐｐｅａｒａｎｃｅ邋（ａ）邋ａｎｄ邋ｉｎｔｅｒｉｏｒ邋ｃｈａｍｂｅｒ邋（ｂ）邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｕｎｉｖｅｒｓａｌ邋ｓｍａｓｈｅｒ，邋（ｃ）邋ｔｈｅ邋ｐｒｉｓｔｉｎｅ逡逑ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｐｏｗｄｅｒ逡逑２４逡逑

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２．３结果与讨论逡逑２．３．１边缘改性石墨烯的制备原理逡逑以大尺寸石墨烯作为原材料，制备边缘改性石墨烯的实验过程如图２－３所示。逡逑整个制备过程分为两个阶段：首先是对石墨烯片层进行物理剪裁，随后对裁剪后逡逑的石墨烯实施化学氧化。逡逑２６逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33

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