三维石墨烯基多功能材料可控制备与性能研究

发布时间：2019-06-14 03:15

【摘要】：石墨烯气凝胶(Graphene aerogel,GA)代表石墨烯在三维宏观尺度构筑的一类新型多孔碳纳米材料,其丰富的孔隙、超轻的密度、大比表面积、低导热系数、高导电率、良好的力学可压缩性和结构稳定性等性能赋予该材料在电子工程、防护工程、传感技术、热能工程和储能等领域广阔的应用前景。以GA为基底模板,研究三维石墨烯基多功能材料可控制备和结构可剪裁设计,建立可优化的结构和性能改性策略,对推动高性能石墨烯基多功能材料的发展具有重要意义。鉴于目前三维石墨烯材料制备和性能研究中存在微观结构可控性差、宏观结构可剪裁性弱、力学稳定性低和大尺度制备困难等问题,本文开展了三维石墨烯基多功能材料可控制备方法与性能研究,具体研究内容包括:1、三维石墨烯气凝胶可控制备与性能研究以大片氧化石墨烯(Large-area graphene oxide,LGO)为前驱体,通过优化水热反应参数(温度、时长和辅助剂乙二胺用量)、调节透析和真空冷冻干燥条件,实现二维石墨烯微纳单元诱导组装和可控构筑,得到具有规则类蜂窝状微观结构、超轻密度、高孔隙率和稳定结构的三维GA材料。实验研究表明,该方法制备的GA展现出95%可恢复非线弹性压缩变形,80%应变幅值下稳定循环加载,以及高耗能密度(0.85J/g)。同时,GA在超轻体积密度(~10mg/cm3)表现出优良导电特性(~1.148S/cm)、高灵敏度压阻特征和稳定温阻效应。2、三维石墨烯基/PDMS高分子复合材料制备与性能研究采用“自下而上”真空冰浴条件自注入工艺,制备三维石墨烯基/聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)柔性导电复合材料,实现三维GA网络骨架完整和微观结合界面稳定的结构特征。实验研究表明,该材料具有良好的非线弹性可伸缩变形能力(80%可恢复压变形和90%可恢复拉变形)、稳定的力-电感知特性、高效的焦耳热效应和高导热特性。3、三维石墨烯基/Al_2O_3纳米陶瓷复合材料制备与性能研究以三维GA网络为基底骨架,采用“原子层沉积(Atomic layer deposition,ALD)”方法生长纳米厚度Al_2O_3陶瓷,制备三维石墨烯基/Al_2O_3纳米陶瓷复合材料,微观上构成石墨烯基底与纳米陶瓷紧密键合的“三明治”复合层结构(纳米陶瓷-石墨烯-纳米陶瓷)。该复合材料具有低传热、高导电(1S/cm)和超弹性等性能(80%可恢复压缩变形),实现了三维GA基底和Al_2O_3纳米陶瓷间显著的力学强化,发现了陶瓷复合材料在纳米尺度上优良的弹性变形特性和尺寸效应。4、三维石墨烯超材料制备与负泊松比特性研究基于冷冻成型中控制冰晶定向生长策略,制备具有双曲微观形貌的三维石墨烯超材料,通过优化三维石墨烯材料变形特性,实现了宏观显著负泊松比效应、超弹特性(99%可恢复弹性应变,1000次循环加载力学性能稳定)、稳定的结构和良好耗能性能。通过SEM原位压缩观测,揭示了触发宏观负泊松比特性的微观结构演化和变形机制,发现具有超大长细比石墨烯片压缩后发生定向弹性屈曲,导致宏观几何形状横向内凹收缩变形。此外,负泊松比效应使材料在竖向压缩过程中产生横向收缩,导致材料整体处于三轴受压状态,有效克服了石墨烯片层间π-π连接不抗剪的缺陷,显著提高了三维石墨烯GA材料宏观力学性能。5、3D打印石墨烯材料可剪裁设计与性能研究基于“依需滴落式喷墨”(Drop-on-demand,DOD)原理提出了两相液体材料3D打印工艺,实现了具有可悬空部件三维复杂结构功能石墨烯材料可控构筑和可剪裁设计。以水溶性氧化石墨烯溶液和冰分别做为前驱体和悬空部件支撑体,采用“依需滴落式喷墨”技术和低温冷冻铸型相结合的工艺方法,解决连续喷墨3D打印存在的流变体高粘度限制、辅助介质掺杂需求、微观结构分层、力学稳定性差、辅助介质颗粒扩散夹层和力学薄弱界面引入等问题。研究表明,该3D打印石墨烯材料具有良好的力学变形性能(50%可恢复弹性变形和多周期稳定循环加载)、高导电(~15.4S/m)和线性灵敏压阻特性(20%应变~-26.2%电阻变化)和负温度系数温阻效应。
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【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】：2016
【分类号】：TQ127.11;TB34

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