【摘要】：石墨烯自2004年被發(fā)現(xiàn)以來(lái),由于其優(yōu)異的性質(zhì),在多個(gè)領(lǐng)域引發(fā)了廣泛關(guān)注。本文主要研究了石墨烯基薄膜的制備及其力學(xué)和電熱性能,設(shè)計(jì)制備了四種石墨烯基薄膜材料,利用其低電阻率、高電熱轉(zhuǎn)化率及高熱傳導(dǎo)率的特點(diǎn),將薄膜制作成發(fā)熱器件,并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一系列石墨烯基電熱產(chǎn)品。本論文的主要工作包括如下幾方面:1.大片層石墨烯及薄膜的制備選取32目天然鱗片石墨為原料,采用Hummers法制備得到了氧化石墨烯溶膠,隨后通過(guò)溶液表面自組裝形成氧化石墨烯薄膜,將所得薄膜轉(zhuǎn)移至玻璃基底上,在HI蒸氣氛圍下,95℃密封還原1h,得到脫離基底的石墨烯薄膜。通過(guò)控制氧化石墨烯溶膠濃度以及自組裝時(shí)間,可以得到厚度可控(2~20μm)的石墨烯薄膜。將薄膜進(jìn)行適當(dāng)裁剪后,組裝成發(fā)熱器件,可在低電壓(5V左右)下3~5s內(nèi)迅速發(fā)熱。2.石墨烯基電熱材料的制備(1)石墨烯基有機(jī)纖維導(dǎo)電紙的制備石墨烯粉體在不添加粘結(jié)劑的情況下難以通過(guò)施加壓力成膜,選擇纖維素作為粘結(jié)劑,石墨烯為導(dǎo)電填料,利用纖維之間的相互搭接提供結(jié)構(gòu)支撐,制備得到了石墨烯基導(dǎo)電紙。研究了打漿時(shí)間、脫水壓力及干燥后輥壓壓力等因素對(duì)紙張強(qiáng)度及外觀的影響,所得導(dǎo)電紙的電阻率可以很方便地通過(guò)改變輥壓機(jī)壓力進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié),因而可以在不同電壓下通電發(fā)熱。(2)石墨烯基無(wú)機(jī)纖維導(dǎo)電紙的制備有機(jī)纖維由于其中含有木質(zhì)素,長(zhǎng)期使用過(guò)程中容易變黃變脆,導(dǎo)致其力學(xué)性能大幅下降,此外,有機(jī)纖維容易燃燒,使用過(guò)程中存在安全隱患。羥基磷酸鈣在一定條件下可制備成纖維狀物質(zhì),通過(guò)選用油酸作為前驅(qū)體,水熱法可以合成得到柔性無(wú)機(jī)纖維,該纖維可耐高溫而不燃燒。將所制備的無(wú)機(jī)纖維與氧化石墨烯復(fù)合,使氧化石墨烯中的含氧官能團(tuán)與羥基磷灰石中的鈣離子絡(luò)合,最后經(jīng)過(guò)還原處理,得到被石墨烯包裹的無(wú)機(jī)纖維,隨后減壓抽濾使纖維相互搭接形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),得到無(wú)機(jī)導(dǎo)電紙,該導(dǎo)電紙柔韌性好,強(qiáng)度高,耐火能力強(qiáng),可以在80℃以上的高溫條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定使用。(3)碳納米管石墨烯復(fù)合薄膜的制備碳納米管(CNTs)是一種一維炭材料,不同于之前所用的有機(jī)纖維與無(wú)機(jī)纖維,CNTs自身導(dǎo)電性極好,將其與石墨烯通過(guò)簡(jiǎn)單加熱攪拌及超聲,可以使碳納米管附著或填充于石墨烯片層之間,得到復(fù)合納米炭材料。本部分首先通過(guò)微波輔助加熱法,以泡沫鎳為熱源及催化劑,30s內(nèi)制備得到了碳納米管,隨后超聲使碳納米管從泡沫鎳骨架上脫離,并與氧化石墨烯通過(guò)超聲混合均勻,使碳管填充于石墨烯片層之間,抽濾干燥后經(jīng)過(guò)HI還原得到復(fù)合導(dǎo)電薄膜。3.石墨烯基電熱產(chǎn)品的研發(fā)主要開(kāi)發(fā)了低溫(45℃左右)及中溫(80-100℃)等適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景的電熱產(chǎn)品,包括石墨烯導(dǎo)電紙、石墨烯電暖寶、地暖和電熱畫(huà)。通過(guò)對(duì)所制備電熱膜材料的電學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試,選擇其接入電路的方式,進(jìn)而設(shè)計(jì)回路結(jié)構(gòu),確定封裝材料,最終組裝得到電熱產(chǎn)品。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TB34

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本文編號(hào)：2605498