具有新颖结构的石墨烯复合材料的制备及其应用研究
石墨烯是一种碳原子以sp2杂化轨道构成的六角型蜂巢晶格的二维片层材料，具有许多独特的物理和化学性质，在计算存储、晶体管、柔性能源、触摸面板、海外淡化、生物传感等诸多领域显示巨大应用潜力。针对不同的应用领域，需要设计和制备具有不同维度和新颖结构的石墨烯及其复合材料。本论文从石墨烯的合成和组装出发，研究了石墨烯如何以2D片层、3D宏观结构在导电透明膜、压力传感器和电磁吸波等领域实现其功能构筑，并对其应用效果进行了评价。 薄膜是石墨烯最适用的宏观形式，石墨烯薄膜也是应用于导电透明膜最有潜力的材料之一。在满足透明性和导电率的基础上，如何解决柔性基底与石墨烯薄膜结合的问题是本论文解决的重点。在石墨烯与聚合物纳米纤维复合体系的基础上引入了银纳米线、环氧树脂和紫外吸收剂，在一种多组分的复合体系中制备得到了石墨烯基复合柔性导电透明薄膜材料。这种复合薄膜材料透光率保持在80%以上，同时面电阻仅为147/Sq，并能够对紫外光进行选择性吸收，其吸收效率达90%以上。由于具备良好的透光性、导电性和柔性，此石墨烯基复合薄膜具有柔性光电子器件领域应用的潜力。 将石墨烯片的优异性能扩展到宏观尺度，即实现石墨烯片由2D到3D的组装是实现其实际应用的关键研究。这种3D结构，包括气凝胶，水凝胶，海绵，泡沫等具有周期性结构的框架和蜂窝状结构。这种3D结构具有轻质、高比表面积、互联网络结构及导电性。本论文在石墨烯-有机聚合物体系中，利用水热法和冷冻干燥技术成功制备得到了石墨烯-聚合物纳米纤维复合气凝胶材料。在这种石墨烯基复合气凝胶材料中得到了一种全新的“框架-梁柱-支撑”的三维网络结构，实现了石墨烯基复合气凝胶材料的力学性能增强，有效解决了原石墨烯气凝胶材料结构脆弱的问题。这种石墨烯基复合气凝胶材料保持了低密度、高孔隙率特点的同时展示出了良好的力学性能，在压力传感领域表现出了极为灵敏的压力检测效果（灵敏度60.53kPa-1）。该石墨烯基复合气凝胶在人体生理监测、人体微表情捕捉、动作检测和人体语音识别等方面均展现了优异的应用效果。 三维石墨烯材料的多孔结构使其在阻尼和吸波等方面有着显著的应用优势。通过溶液燃烧法和冷冻干燥法相结合，制备得到了一种低密度、高吸收的石墨烯基复合泡沫材料。这种石墨烯基复合泡沫材料的内部结构主要由镍和石墨烯的连续三维导电网络相互穿插构成，这种独特的内部结构使得该石墨烯基复合泡沫材料在保持密度36.41mg/cm3和孔隙率97.14%的情况下仍然具有优秀的电磁吸波能力，其反射损耗达到了-53.11dB。综上所述，本研究通过对几种不同石墨烯复合材料的深入研究，证明了石墨烯复合材料不仅有多功能化的特点，同时具备独特的性能优势和广阔的应用前景。
石墨烯;复合材料;网络结构;柔性导电透明膜;电磁吸波
武汉纺织大学
硕士
材料科学与工程
王栋
2019
中文
TB383
2020-03-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）