基于石墨烯的高性能復(fù)合材料和智能形變材料的制備及應(yīng)用研究.pdf

1、石墨烯，一種由碳原子六角結(jié)構(gòu)（蜂窩格子狀）緊密排列而成的只有一個碳原子厚的二維片狀晶體材料，自其被發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)在化學(xué)、物理和材料等領(lǐng)域引起了極其廣泛的關(guān)注。而石墨烯特殊的納米結(jié)構(gòu)也決定了它會展示出非常突出的電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)等方面的性質(zhì)，使其在很多實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域都有很強(qiáng)大的應(yīng)用潛力，尤其是在高性能復(fù)合材料和智能材料領(lǐng)域。因此，本論文從能夠宏量制備的，具有很好的水溶性的氧化石墨烯為前軀體或納米添加劑，制備了多種納米基高分子復(fù)合材

2、料，并對它們的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能進(jìn)行表征；在此技術(shù)與理論基礎(chǔ)上，我們又制備了以多功能性的石墨烯-高分子復(fù)合材料和石墨烯-無機(jī)納米顆粒雜化紙材料為主體的智能材料，并對其結(jié)構(gòu)和外力驅(qū)動形變性能進(jìn)行研究和表征。主要研究內(nèi)容如下：
　　 1．氧化石墨烯增強(qiáng)聚乙烯醇復(fù)合材料。在這個部分工作中，我們首先利用具有很好水溶性的氧化石墨烯作為納米增強(qiáng)添加劑，并選擇同樣具有很好水溶性的聚乙烯醇作為高分子基體材料來制備高性能復(fù)合材料。由于1）氧化石墨烯

3、材料本身具有很優(yōu)異的力學(xué)性能，2）氧化石墨烯在聚乙烯醇基體中有均勻的分散，3）氧化石墨烯與基體間有很強(qiáng)的氫鍵相互作用力，因此氧化石墨烯只需要極低的添加量就能對復(fù)合材料的機(jī)械性能有很大的提高，例如，當(dāng)氧化石墨烯添加量僅為0.7wt％時，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度就提高了76%，而楊氏模量提高了62%。此外，復(fù)合材料楊氏模量的實(shí)驗(yàn)值與氧化石墨烯在聚乙烯醇基體中處于平行薄膜表面的有序有方向性排列狀態(tài)的復(fù)合材料的楊氏模量模擬值(Halpin-Tsai模

4、型)很吻合，表明復(fù)合材料承受的外部負(fù)載確實(shí)能通過聚乙烯醇與氧化石墨烯間很強(qiáng)的氫鍵結(jié)合力有效地從基體材料轉(zhuǎn)移到氧化石墨烯增強(qiáng)劑上。
　　 2．石墨烯材料對復(fù)合材料電磁性能的有效提高。在這部分工作中，我們利用石墨烯作為導(dǎo)電添加劑，分別與兩種常用的高分子基體材料復(fù)合制備成導(dǎo)電高分子材料，并對其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行表征與研究。首先，我們利用三步法1）氧化石墨烯的預(yù)還原2）原位分散聚合合成復(fù)合材料3）復(fù)合材料的進(jìn)一步高溫焙燒還原，制備得到了突破

5、界限值為0.52vol%的導(dǎo)電石墨烯-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，并且我們還首次研究了該石墨烯復(fù)合材料的電磁屏蔽性能；由于具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，當(dāng)石墨烯含量為15wt%時，復(fù)合材料的電磁破屏蔽性能超過20 aB(即99%的入射電磁波被屏蔽掉)。然后，我們又利用兩步法1）原位分散聚合制備復(fù)合材料前驅(qū)分散液2）高分子高溫固化和石墨烯高溫焙燒還原同步進(jìn)行的方法，制備了突破界限值僅為0.39vol%的石墨烯-聚酰亞胺復(fù)合材料；此外，除了導(dǎo)電性以外，石墨烯的加

6、入對聚酰亞胺的力學(xué)性能也有一定的提高，如石墨烯含量為1wt%時，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高了約30%。
　　 3．基于石墨烯納米復(fù)合材料的紅外光驅(qū)動形變智能材料。在這部分工作中，我們合成了具有較為完整的sp2大兀共軛結(jié)構(gòu)，并且在有機(jī)溶劑中具有好的分散性的磺化石墨烯，并創(chuàng)新性地利用這種石墨烯材料作為納米尺寸的光吸收單元和能量轉(zhuǎn)換單元與熱塑性聚氨酯復(fù)合，制得具有紅外光驅(qū)動形變性能的聚合物基納米復(fù)合材料。當(dāng)磺化石墨烯含量僅為1 wt%時，

7、磺化石墨烯-聚氨酯復(fù)合材料能提起一個21.6g的重物，收縮約3.1cm的距離，產(chǎn)生0.21 N的收縮力，能量密度最高能達(dá)到0.40J/g。此外，磺化石墨烯的加入也極大的增強(qiáng)了復(fù)合材料的力學(xué)性能，如當(dāng)含量僅為1 wt%時，復(fù)合材料在拉伸形變?yōu)?00%時，楊氏模量和拉伸強(qiáng)度分別比純聚氨酯提高了120%和75%。這也使得這種石墨烯-聚氨酯智能材料有更加廣闊的應(yīng)用空間。
　　 4．基于石墨烯紙材料的電驅(qū)動形變智能材料。在這部分工作中，我

8、們首先利用簡單的溶液處理方法制備了獨(dú)立式的石墨烯-四氧化三鐵雜化紙。這種新穎的雜化紙材料除了保持了優(yōu)良的導(dǎo)電性和力學(xué)性能外，還具有非常優(yōu)異的柔性和容易調(diào)控的超順磁性。然后，結(jié)合石墨烯-四氧化三鐵雜化紙這些多功能性的特點(diǎn)，我們把它應(yīng)用于磁控導(dǎo)電開關(guān)中；這種新穎的磁控導(dǎo)電開關(guān)顯示出非常優(yōu)異的循環(huán)性能，當(dāng)經(jīng)過1000000次（0.2Hz的頻率下超過1390小時的測試）彎曲角度約為30°的“on-off’循環(huán)后，石墨烯-四氧化三鐵雜化紙的性能基