【摘要】：石墨烯憑借其特殊的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)及熱學(xué)等性能,可作為優(yōu)異的納米填充材料引入到聚合物基體中,通過物理吸附或化學(xué)鍵等作用連接在一起,改善聚合物本身絕緣和機(jī)械性能差的缺點,從而得到更多功能性的石墨烯基復(fù)合材料,擴(kuò)寬了石墨烯及聚合物的應(yīng)用領(lǐng)域。但僅從材料制備角度去提高材料的單一使用功能,已不能滿足人們對多功能材料/結(jié)構(gòu)的需求。因此,如何結(jié)合材料與結(jié)構(gòu)優(yōu)勢,構(gòu)筑多功能材料成為材料科學(xué)研究領(lǐng)域的一個關(guān)鍵熱點問題。本文以石墨烯為基本材料,從設(shè)計多功能材料/結(jié)構(gòu)的角度出發(fā),或通過與聚合物復(fù)合得到石墨烯基納米復(fù)合材料,或通過引入聲學(xué)超結(jié)構(gòu),設(shè)計和制備了基于石墨烯的納米復(fù)合材料及超結(jié)構(gòu),分別對復(fù)合材料的力學(xué)、電磁屏蔽和聲學(xué)等綜合性能及作用機(jī)制進(jìn)行了分析,并對其潛在的應(yīng)用前景進(jìn)行了探索。本文主要研究內(nèi)容如下:從傳統(tǒng)材料的改性入手,將液相剝離得到的石墨烯片層通過噴霧干燥與平板熱壓相結(jié)合的方式引入到丁苯橡膠乳液中,成功制備了不同石墨烯摻雜含量的石墨烯/橡膠復(fù)合材料。石墨烯片層與橡膠基體的界面作用,有效提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能,當(dāng)石墨烯摻雜含量為15 vol%時,楊氏模量提高30倍。同時石墨烯在橡膠基體中形成交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),賦予了石墨烯/橡膠復(fù)合材料良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能,當(dāng)引入15 vol%石墨烯時,導(dǎo)電和導(dǎo)熱率分別為219 S/m和2.922 W m~(-1) K~(-1),相比于純橡膠分別提升了100倍和13倍。具備優(yōu)異性能的石墨烯/橡膠復(fù)合材料能用作導(dǎo)熱界面材料。同時在X波段(8-12 GHz),電磁屏蔽效能均值可達(dá)45 dB。我們也將其應(yīng)用于水聲吸聲材料,在6-30 kHz的水聲吸聲系數(shù)超過0.8,而且在0.1-5.5 kHz范圍內(nèi),隨著靜水壓的增大仍能保持較好的水聲吸聲性能。因此,石墨烯/橡膠復(fù)合材料作為多功能材料將在多種特殊應(yīng)用環(huán)境得到進(jìn)一步應(yīng)用。為解決傳統(tǒng)材料無法解決的低頻降噪問題,我們通過將聲學(xué)超結(jié)構(gòu)與石墨烯材料結(jié)合,成功設(shè)計制備了兼具聲學(xué)和電磁雙屏蔽功能的石墨烯基超結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)中的石墨烯薄膜制備采用冷凍干燥和平板熱壓相結(jié)合的方法,其具有1580S/cm導(dǎo)電率和3.5 GPa的楊氏模量。并首次通過無損檢測——聲學(xué)方法研究了石墨烯薄膜的聲學(xué)性質(zhì)和本征模態(tài)。將石墨烯薄膜與人工蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合在一起得到三明治結(jié)構(gòu),通過調(diào)控石墨烯薄膜厚度、蜂窩孔徑等參數(shù),有效地調(diào)控了電磁屏蔽效能和器件的隔聲性能,在8-12 GHz具有74 dB以上的電磁屏蔽效能。同時在200-1500 Hz的頻率范圍具有20 dB以上的聲衰減性能,并在200 Hz的低頻處達(dá)到40 dB,打破了質(zhì)量密度定律。石墨烯基超結(jié)構(gòu)同時實現(xiàn)了聲學(xué)和電磁的雙屏蔽,并通過簡單的演示實驗進(jìn)一步證明了雙屏蔽效果。為實現(xiàn)聲學(xué)頻率的主動調(diào)諧,采用兩性分子聚乙烯醇作為化學(xué)膠黏劑粘結(jié)石墨烯片層,通過改變引入的石墨烯含量,利用刮涂法成功制備了一系列聚乙烯醇/石墨烯復(fù)合薄膜。石墨烯的引入,有效提高了純聚乙烯醇薄膜的力學(xué)性能和導(dǎo)電導(dǎo)熱性能。當(dāng)石墨烯引入24.3%時,楊氏模量提高1.5倍,導(dǎo)電率為44.7S/m,相比純絕緣聚乙烯醇薄膜增大100倍。我們通過調(diào)節(jié)負(fù)載在薄膜上的外電場電壓,改變了復(fù)合薄膜溫度從而調(diào)控了薄膜模量,而通過調(diào)控模量的變化即能實現(xiàn)復(fù)合薄膜的第一反共振頻率的調(diào)控,從而解決了特殊環(huán)境中頻率不斷變化的噪音問題,得到了能夠主動調(diào)諧的聲學(xué)薄膜。另外測試了石墨烯/聚乙烯醇復(fù)合薄膜的電磁屏蔽性能,達(dá)到商業(yè)使用價值。
【圖文】：

題背景及研究目的與意義墨烯是由單層碳原子以 sp2雜化方式相互連接形成的二維（2D）[1, 2]，可看作是所有 sp2雜化的碳同素異形體（例如石墨、納米管基本構(gòu)件，如圖 1-1 所示。自 2004 年，英國科學(xué)家 Andre Geim 和 Koelov 以膠帶剝離方法成功從石墨中剝離出石墨烯，石墨烯憑借其勢，優(yōu)異的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，獲得了 2010 年度的諾貝爾物理速吸引了材料領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[3-6]。有獨特單層 2D 晶體結(jié)構(gòu)的單層石墨烯厚度僅為 0.335 nm，是目材料[7]。石墨烯屬于半導(dǎo)體，其導(dǎo)帶和價帶在布里淵區(qū)的 K 點退子遷移率高達(dá) 250000 cm2V-1s-1，比硅高兩個數(shù)量級[8]。單層石楊氏模量能達(dá)到 1.0 TPa，而斷裂強(qiáng)度為 130 GPa，是傳統(tǒng)鋼鐵材料外，石墨烯還具有理論值達(dá) 2630 m2g-1的超高比表面積[10]，室溫K-1的熱導(dǎo)率[11]和不受波長影響的 97.3%的透光率[12]，這些優(yōu)異的在電子器件、儲能材料、傳感器、光學(xué)器件、催化劑、生物醫(yī)學(xué)料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[13-18]。

sp2雜化碳（石墨烯）和聚合物之間的相互作用：非共價作用（如 π π 作用作用、靜電作用和聚合物共混[2] Molecular models of sp2hybridized carbon (graphene) displaying different intlymer matrices: non-covalent interactions (e.g. π π interactions), covalent inteelectrostatic interactions and polymer blending[2]僅從材料制備角度去提高材料的單一使用功能，已不能滿足人們/結(jié)構(gòu)的需求。通過調(diào)研，到目前為止并沒有一種材料或結(jié)構(gòu)能同噪聲污染問題。因此，本文基于石墨烯材料的優(yōu)異性能，一方面度入手，將其作為納米填充物引入到聚合物中，，改善原始基體材、不導(dǎo)電不導(dǎo)熱等缺點；另一方面引入聲學(xué)超結(jié)構(gòu)，提高復(fù)合材，針對解決特殊應(yīng)用需求。制備和設(shè)計的石墨烯基納米復(fù)合材料別從材料性能優(yōu)勢和結(jié)構(gòu)可設(shè)計性著手，實現(xiàn)了聲學(xué)和電磁的雙同時解決環(huán)境噪聲及電磁污染問題提供了更多的可能，具有巨大墨烯基納米復(fù)合材料的研究進(jìn)展
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB33

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本文編號：2629662