本文選題：石墨烯膜　切入點(diǎn)：強(qiáng)度　出處：《清華大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：石墨烯作為一種單原子層的二維晶體,擁有大量?jī)?yōu)異的性能。納米尺度的石墨烯構(gòu)筑的多維宏觀組裝體拓展了其在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中的應(yīng)用范圍。其中,石墨烯二維組裝膜材料在其應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)著重要的位置。本論文以超強(qiáng)、超韌、高電導(dǎo)率、多功能的化學(xué)修飾石墨烯膜材料的制備為研究重點(diǎn),旨在簡(jiǎn)化制備流程,增強(qiáng)化學(xué)修飾石墨烯膜材料的綜合性能,闡釋其增強(qiáng)、增韌的內(nèi)在機(jī)制。我們?cè)O(shè)計(jì)并合成了一種高分子聚丙烯酸-聚(3-苯硼酸丙烯酰胺)(PAPB0.2),以其作為氧化石墨烯(GO)水凝膠的凝膠化因子。同時(shí)我們建立了一種凝膠澆鑄技術(shù)來制備超強(qiáng)、超韌、高導(dǎo)電的還原氧化石墨烯(rGO)/PAPB0.2膜。該復(fù)合膜的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂韌性分別高達(dá)382±12 MPa、4.31±0.08%、7.50±0.40 MJ m~(~(-3))。更為重要的是,該方法制備的復(fù)合膜的電導(dǎo)率高達(dá)337±12 S cm~(-1),與本征的rGO膜相當(dāng)(350±13 S cm~(-1))。這種簡(jiǎn)單的凝膠澆鑄技術(shù)成本低廉、環(huán)境友好并且易于規(guī)�；a(chǎn)任意形狀、尺寸、厚度的化學(xué)修飾石墨烯膜材料。利用簡(jiǎn)便的酸誘導(dǎo)微結(jié)構(gòu)控制的方法,在不需要外源高分子交聯(lián)劑的條件下制備了機(jī)械性能增強(qiáng)的化學(xué)修飾石墨烯膜和化學(xué)修飾石墨烯纖維。該方法制備的膜強(qiáng)度高達(dá)447±29MPa,韌性達(dá)6.39±0.06 MJ m~(-3),遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大多數(shù)石墨烯基膜材料。更為重要的是,其熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于石墨烯/高分子復(fù)合膜。此外,該方法制備的一維纖維不僅具備極好的機(jī)械性能,還可作為耐火導(dǎo)線應(yīng)用。我們提出的方法適合大批量制備超強(qiáng)、導(dǎo)電、熱穩(wěn)定的化學(xué)修飾石墨烯宏觀組裝體的制備。通過控制GO的化學(xué)結(jié)構(gòu)結(jié)合溫和的退火處理過程,我們制備了超強(qiáng)的本征GO膜和rGO膜。GO膜斷裂強(qiáng)度高達(dá)453±17 MPa,并且能夠在水中保持機(jī)械完整性。相應(yīng)的化學(xué)還原的rGO膜的機(jī)械強(qiáng)度高達(dá)614±12 MPa,堪比AISI 304不銹鋼(585 MPa)。與此同時(shí)rGO膜還具有超高的電導(dǎo)率(802±29 S cm~(-1))與熱導(dǎo)率(524±36 W m~(-1) K~(-1))。利用片層尺寸大、結(jié)構(gòu)更加完整的單/寡層氧化石墨烯作為構(gòu)筑基元,通過簡(jiǎn)便的溶液揮發(fā)的方法制備了高導(dǎo)電的、溶液可加工的化學(xué)修飾石墨烯膜材料。該膜的電導(dǎo)率在碘摻雜后高達(dá)1440 S cm~(-1),斷裂強(qiáng)度高達(dá)387±55 MPa。我們將此高電導(dǎo)率的化學(xué)修飾石墨烯膜作為輕質(zhì)、可折疊的集流體應(yīng)用于超級(jí)電容器中,展現(xiàn)了優(yōu)異的速率性能。
[Abstract]:As a kind of two-dimensional crystal with single atomic layer, graphene has a lot of excellent properties. In this paper, the preparation of chemically modified graphene membrane materials with super strength, toughness, high conductivity and multifunction is the focus of the research, in order to simplify the preparation process. Enhance the comprehensive properties of chemically modified graphene film material, explain its reinforcement, The internal mechanism of toughening. We have designed and synthesized a kind of polymer polyacrylic acid-poly (3-phenylborate) acrylamide (PAPB _ (0.2)) as the gelation factor of graphene oxide (GOO) hydrogel, and we have established a gel casting technology to prepare super strong. The redox graphene oxide / PAPB 0.2 film is super tough and highly conductive. The fracture strength, elongation at break and fracture toughness of the composite film are as high as 382 鹵12 MPA / 0.31 鹵0.08 鹵0.08 鹵7.50 鹵0.40 MJ / PAPB0.2 respectively. The conductivity of the composite membrane prepared by this method is as high as 337 鹵12s / cm ~ (-1), which is equivalent to that of the intrinsic rGO film (350 鹵13s / cm ~ (-1)). This simple gel casting technique is cheap, environmentally friendly and easy to be produced on a large scale in arbitrary shape and size. Chemically modified graphene film materials with thickness. A simple method for controlling the structure of graphene by acid induction. The chemically modified graphene film and chemically modified graphene fiber were prepared without external polymer crosslinking agent. The strength and toughness of the membrane prepared by this method were up to 447 鹵29MPa and 6.39 鹵0.06 MJ mf3, which was much higher than that of most of the films. Graphene based film materials. More importantly, Its thermal stability is much better than that of graphene / polymer composite membrane. In addition, the one-dimensional fiber prepared by this method not only has excellent mechanical properties, but also can be used as a fire-resistant conductor. Preparation of thermally stable chemically modified graphene macroassemblies. By controlling the chemical structure of go and the mild annealing process, We have prepared super strong intrinsic go and rGO films with breaking strength up to 453 鹵17 MPa, and can maintain mechanical integrity in water. The corresponding chemically reduced rGO films have a mechanical strength of 614 鹵12 MPA, which is comparable to that of AISI 304 stainless steel. At the same time, the rGO film also has a high conductivity of 802 鹵29s / cm ~ (-1) and a thermal conductivity of 524 鹵36W / m ~ (-1) ~ (-1). The highly conductive graphene oxide with more complete structure was prepared by a simple solution volatilization method as the building unit. Solution processable chemically modified graphene film material. The conductivity of the film is as high as 1440S cm ~ (-1) ~ (-1) after doping with iodine, and the breaking strength is as high as 387 鹵55 MPA. The chemically modified graphene film with high conductivity is used as light weight. The foldable fluid collector is used in supercapacitors with excellent rate performance.
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB383.2;TQ127.11

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本文編號(hào)：1629834