三维石墨烯网络结构及其复合材料制备与性能研究

发布时间：2020-05-25 08:26

【摘要】：二维结构的石墨烯具有优异的力学、电学、热学及光学性能,被称为“新材料之王”。但是,石墨烯的纳米尺寸导致其应用受到很大限制。将石墨烯组装成跟传统材料相似的宏观体是石墨烯走向应用的突破口之一。近年来,以一维纤维,二维薄膜,三维网络结构为代表的石墨烯宏观体取得多项创新性成果,尤其是石墨烯三维网络结构受到更广泛的关注,但是三维网络结构的柔性及密度调控方面尚存在瓶颈,在声学性能研究方面也尚存空白。本文以三维石墨烯网络结构为基础,以改善复合材料力学性能为目标,制备了三维石墨烯网络结构吸声一体化材料,三维石墨烯网络-聚二甲基硅氧烷复合材料,变密度石墨烯网络结构,并对以上复合材料的综合性能进行了表征。采用冷冻干燥法制备了大尺寸石墨烯气凝胶,成功构筑了石墨烯分散性良好的三维网络结构。通过化学状态表征,结果表明,石墨烯缺陷较少,具有完整的晶体结构。测试了三维石墨烯网络结构的力学性能,压缩应变为17%时,强度仅为0.002 MPa。以增强三维石墨烯网络结构的力学性能为目标,引入柔性蜂窝结构,构筑了吸声结构一体化,压缩强度提升了1000倍,并具有良好的抗疲劳性,循环压缩1000次后,强度仍能保持原来的90%。采用驻波管法测试了三维结构的吸声性能,纯石墨烯三维网络结构具有频选特性,而引入蜂窝结构后,声学特性发生很大变化。在频率900~4000 Hz的范围内,吸声系数均在0.8以上,其中在1200~1500 Hz范围内,吸声系数达到0.97以上。基于三维石墨烯网络结构,本文通过调节孔隙率和热处理,将导电率提高了1000倍,达到100 S/m,得到了三维石墨烯导电网络,并采用真空辅助灌注法,将柔性聚二甲基硅氧烷灌入石墨烯导电网络结构中,不仅解决了石墨烯易团聚的问题,还获得了具有高导电性的复合材料。同时,三维石墨烯网络的引入还增强了复合材料的力学性能,拉伸强度提升63%,杨氏模量提升了11倍。通过微观表征以及电学性能的测试,表明了石墨烯在复合材料中分散性良好,保持了三维石墨烯网络的导电性,并赋予了复合材料电磁屏蔽的性能。当复合材料的厚度为2 mm时,在8-12 GHz频率范围内,其电磁屏蔽效能达到54 dB,相当于屏蔽了99.999%以上的电磁波。分析并阐述了复合材料的电磁屏蔽机制,由于高导电的石墨烯连通网络使得一部分电磁波被反射,进入复合材料内部的电磁波与石墨烯产生相互作用,最后转变成热量被耗散,从而达到高电磁屏蔽的效果。通过对三维石墨烯网络的高温石墨化处理,将三维石墨烯网络结构的力学特性由弹性转变为柔性,采用真空压制技术,可以调控其密度,得到了不同密度的石墨烯网络结构。随着石墨烯网络结构密度的增加,其综合性能得到大幅度的提升,当密度达到1.85 g/cm~3时,其拉伸强度提升至50.4 MPa,断裂韧性为0.93 MJ/cm~3,并且具有良好的可折叠性,其抗撕裂性能达到1 N/mm,是松下生产碳膜的2倍,并显面内各向同性。并且导电率达到1.1×10~5 S/m,导热率达到1100 W m~-11 K~(-1),当厚度为80μm时,在2-40 GHz频率范围内,电磁屏蔽效能达到77.2 dB。
【图文】：

第 1 章 绪 论第 1 章 绪 论1.1 课题背景及研究目的与意义英国科学家 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 在 2004年采用胶带剥离的方式成功制备了石墨烯[1]，如图 1-1 所示。并在 2010 年获得了诺贝尔奖，从此石墨烯倍受材料领域的人们所关注。石墨烯之所以受到广大材料人的青睐，主要是由于石墨烯具有非常优异的性能，其杨氏模量可达到 1.0 TPa，断裂强度可达到 130 GPa[2]。此外，在常温条件下，单层石墨烯的电子迁移率高达 2.5×105cm2V-1s-1 [3, 4]，热导率为 5300 W m-1K-1[5, 6]， 比表面积为 2630 m2g-1[7]。这些优异的性能使石墨烯具有巨大的应用潜能[2-10]。

图 1-2 超轻石墨烯气凝胶Figure 1-2 Ultra-light graphene aerogel石墨烯网络结构为基础，以改善复合材料力学网络结构吸声一体化材料，三维石墨烯网络/聚石墨烯网络结构，并对以上复合材料的吸声、了表征。分析与阐述了石墨烯的本征属性对以材料的应用奠定了基础。制备方法碳原子组成，并通过碳原子之间 SP2杂化形成。自从石墨烯被发现以来，其制备方法一直是 法[11, 12]，，化学氧化法[13]，机械剥离法[14-16]和液和液相剥离法制备石墨烯已逐渐走向成熟，并开始采用 Hummers 法制备氧化石墨烯[18-20]，但
【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】：TQ127.11;TB332

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本文编号：2679862