三维石墨烯复合材料的制备及其在光环境下的力敏性能研究

发布时间：2020-11-04 01:03

　　 三维石墨烯作为二维石墨烯的衍生物,是一种由二维石墨烯构建而成的三维宏观尺度的全新碳材料。它不仅拥有二维石墨烯优异的导电性、超大的比表面积,同时还有特殊三维多孔结构赋予它的良好压缩回复性能、超大的空隙率以及更优异的比表面积,三维互联的网状结构也为其提供了丰富的导电网络。这些优异的性能使得三维石墨烯在传感、吸附、催化和储能等领域都有着非常广阔的应用前景。但是目前的的三维石墨烯及其复合材料在力学性能和电学性能这一方面还存在一定的缺陷,使得制备出来的传感器灵敏度不够高,这极大地限制了三维石墨烯及其复合材料在力学传感这一方面的应用。本课题首次引入石墨烯二氧化硅纳米球(GSB)作为三维石墨烯的添加剂,在三维石墨烯的制备过程中加入GSB,利用GSB纳米材料的纳米效应,以及表面包覆的石墨烯提供的额外作用力,使氧化石墨烯微片在还原自组装过程中能够更有效、更强力地结合形成三维结构的石墨烯复合材料(GSBF)。GSB增强后的GSBF不仅拥有超大的形变回复能力、力学性能是一般三维石墨烯的两倍、导电性能也有了大幅度的提升。此外GSBF力敏性能的测试中也表现出了作为力学传感器材料的潜在能力,比如不同频率的压力测试中能够准确的识别力学信号,在不同的压力环境下有稳定的导电性,在多次重复压力循环中保持测量值的稳定性和优秀的响应时间。同时在呼吸和水滴的测试实验中也充分体现了GSBF材料作为力学传感材料在传感器的应用中的潜力。最后,基于GSBF材料的优异力学和电学性能,结合GSBF和PDMS柔性材料制备了超高灵敏度的GSBF柔性传感器,传感器的灵敏度最高达到了103,并且响应时间在125 ms。同时在300次的循环测试中表现出十分优异的稳定性能。在人体活动检测应用演示中,GSFB柔性传感器能够准确的反馈出手指的不同弯曲程度产生的信号,同时能够准确的捕捉到每一次手指在不同频率下的弯曲动作,脉搏检测中传感器更是能够将每个脉搏跳动中的三个特征峰捕捉到。同时在光敏性能的测试中,GSFB也表现出非常弱的光电响应能力,证明了在不同波长的光环境下不会影响传感器的测量精度。
【学位单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP212;TB33;TQ127.11
【部分图文】：

图 1.1 石墨烯的晶体原子排列结构作是多种碳基材料的基本构成单元，它能够向中向内卷曲成一维的碳纳米管，或者层层堆叠形成的按层数的不同可以分为单层石墨烯、双层石墨双层的石墨烯都为零带隙结构，同时有电子和空层石墨烯根据带隙结构不同又分为对称双层结构对称双层结构中价带与导带之间有细微的接触，而在不对称双层石墨烯中石墨烯片层之间产生了双栅结构的设计使石墨烯晶体管表现出显而易见 层六角形蜂巢结构的碳原子在不一样的堆叠方法式）下形成的二维材料。因为二维结构的晶体材石墨烯表面不存在完全平整的状态。石墨烯平面量的褶皱，这种褶皱大概宽为 8~10 nm 同时

图 1.2 石墨烯以及由石墨烯构成的富勒烯、碳纳米管以及石墨烯因为其特别的二维蜂窝状结构而拥有许多优秀的性质。在石墨烯内，每个碳原子与相邻三个碳原子之间的连接键都是 σ 键，键与键为 120°，并且键的长度为 1.42 [23]，因为这些 σ 的存在赋予了石结构刚性，它的强度达到了 130GPa，是目前世界上强度最高的钢。因此，这种高强度的石墨烯可以应用在超薄的 MEMS 中作为传器。例如在制备石墨烯谐振器时可以将石墨烯沉积在二氧化硅衬 78 品质因子且频率可达 21~201 MHz 的谐振器[24]。烯具有非常高的光透过率，它的光透过率可以通过菲涅耳公式计算25 10e= 6.08 104Gh ≈ Ω （11 97.7%1 0.5παπα≈ ≈+（201eG

如图1.3 所示，JinhuiLi[43]等人将使用乙二胺（EDA）作为还原剂与氧化石墨烯（GO）溶液混合，然后在 95℃的环境中保温六小时得到由石墨烯片自组装成的三维石墨烯水凝胶（FGH）。然后将 FGH 在冷冻干燥机中冷冻干燥 48 小时去除内部的水份得到三维石墨烯气凝胶（FGA）。最后在氩气（Ar）的保护下在高温中退火60 秒得到了具有超轻质量的三维石墨烯。图 1.3 水热还原自组装法制备三维石墨烯a) 超轻三维石墨烯的制备流程图 b) 三维石墨烯水凝胶在不同时间的制备过程中形态的电子图像。
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本文编号：2869365