【摘要】：隨著化石能源的枯竭和環(huán)境污染的日益加劇,以化石燃料內(nèi)能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換為代表的現(xiàn)有能量轉(zhuǎn)換方式受到了極大的挑戰(zhàn),一種綠色環(huán)保且可持續(xù)的能量轉(zhuǎn)換方式被迫切需要。與風(fēng)能發(fā)電等能量轉(zhuǎn)換方式不同,微流體器件無(wú)需依靠大型設(shè)備,且能夠?qū)崿F(xiàn)能源的高效利用。另一方面,石墨烯以其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)被認(rèn)為是微流體器件的理想材料,受到了廣泛的關(guān)注。因此,本文以氧化石墨為原料,利用刮膜-低溫煅燒法制備了具有獨(dú)特的選擇浸潤(rùn)性(疏水/親乙醇)的多孔石墨烯薄膜。利用吸附在石墨烯薄膜內(nèi)的有機(jī)溶劑在水面上的單向擴(kuò)散作用,將分子擴(kuò)散能轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)能,推動(dòng)石墨烯薄膜作定軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。詳細(xì)考察了影響石墨烯薄膜擴(kuò)散-機(jī)械能轉(zhuǎn)換效率的影響因素,并在此基礎(chǔ)上了提出了石墨烯薄膜擴(kuò)散-機(jī)械能轉(zhuǎn)換的物理和數(shù)學(xué)模型。具體的研究工作包括下述三個(gè)方面:分析了石墨烯膜自身物理性質(zhì)及構(gòu)型參數(shù)的影響。對(duì)具有不同乙醇/水浸潤(rùn)性的材料進(jìn)行了對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),多孔材料具有的疏水親乙醇的獨(dú)特選擇浸潤(rùn)性能是實(shí)現(xiàn)乙醇單向擴(kuò)散的關(guān)鍵因素,同時(shí)對(duì)不同處理溫度影響的研究進(jìn)一步證明了石墨烯的疏水性能并不是制約石墨烯膜轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制因素。對(duì)石墨烯的形狀,面積,長(zhǎng)寬比以及厚度等構(gòu)型參數(shù)的影響研究發(fā)現(xiàn),石墨烯的運(yùn)動(dòng)受推動(dòng)力矩及相反方向的阻力矩的同時(shí)作用,兩者作用都隨著力臂的增加而增加,且阻力的增加趨勢(shì)更為劇烈。詳細(xì)分析了“燃料”溶劑及外部擴(kuò)散介質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn),“燃料”溶劑及外部擴(kuò)散介質(zhì)的選擇在滿(mǎn)足石墨烯膜選擇性浸潤(rùn)的基礎(chǔ)上,必須具有相溶性才能使石墨烯膜運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散能-機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。在此基礎(chǔ)上,石墨烯膜內(nèi)、外部“燃料”溶劑的濃度差及溶劑的密度均對(duì)石墨烯的運(yùn)動(dòng)造成了影響,隨著濃度差的增大,以及“燃料”溶劑密度的減小,石墨烯的轉(zhuǎn)速增加。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn),實(shí)現(xiàn)了石墨烯膜的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)及持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。在考察了不同因素對(duì)石墨烯膜擴(kuò)散-機(jī)械能轉(zhuǎn)換效率影響的基礎(chǔ)上,證明了氣體的參與使石墨烯膜內(nèi)部的壓力差值保持一定,使“燃料”溶劑能夠持續(xù)擴(kuò)散,并進(jìn)一步建立了氣-液-固三相共同作用的擴(kuò)散-機(jī)械能轉(zhuǎn)化物理模型。對(duì)石墨烯膜的轉(zhuǎn)動(dòng)方向進(jìn)行了解釋,得出了實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)方向的確立是由于濃度分布不均勻致使膜兩側(cè)受力不平衡導(dǎo)致的。最后,引入齊奧爾科夫公式及雙膜擴(kuò)散理論推導(dǎo)建立了石墨烯膜運(yùn)動(dòng)的速度表達(dá)公式,并通過(guò)公式給出了實(shí)際實(shí)驗(yàn)中石墨烯膜轉(zhuǎn)速與不同影響因素間的定性關(guān)系。
【圖文】：

的氧化石墨溶液超聲分散 2 h 后，濃縮至一定比例，冷凍干燥粉末。稱(chēng)取一定質(zhì)量的干燥氧化石墨烯粉末放入燒杯中，加入L 的漿料，隨后攪拌 4 h，備用。烯膜的制備的聚四氟乙烯板表面用膠帶粘出一定厚度的矩形區(qū)域，，將漿料慢勻速刮平。隨后在室溫下干燥 24 h，得到干燥的氧化石墨烯面小心揭下，在氮?dú)猸h(huán)境下煅燒 2 h，處理溫度為 300 ℃，升溫后得到的膜即為石墨烯膜，標(biāo)記為 rGO-300 Film。改變不同的記為 rGO-X Film，X 為煅燒溫度。未被煅燒的氧化石墨膜標(biāo)記在聚四氟乙烯板上粘出不同的厚度，分別涂覆并在氮?dú)鈼l件下00 ℃，升溫速率為 2 ℃/min，將得到的石墨烯膜命名為 rGO-Y度，單位為μm。a b

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文墨烯膜運(yùn)動(dòng)的測(cè)定墨烯膜轉(zhuǎn)動(dòng)的測(cè)定圖 2.2 所示，將直徑為 5 mm 的鎳絲固定在 250 mL 的圓形培養(yǎng)皿中心，保持立狀態(tài)，向水槽中倒入不同體積比的乙醇-水混合液。同時(shí)，將制得的石墨烯面積裁成不同的形狀，隨后用加熱的直徑為 8 mm 的鎳絲于幾何中心位置穿的石墨烯膜浸入測(cè)試溶液中保持 5 min。待石墨烯膜飽和吸附后，用鑷子水平鎳絲的正上方，垂直將鎳絲從薄膜中心孔穿過(guò)，放置于培養(yǎng)皿液面上。轉(zhuǎn)動(dòng)視頻記錄，視頻幀率為 50 幀/s。最后用軟件對(duì)視頻進(jìn)行處理，計(jì)算薄膜旋轉(zhuǎn)a
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TQ127.11;TB383.2

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 高唐;;關(guān)于石墨烯的化學(xué)研究進(jìn)展分析[J];時(shí)代農(nóng)機(jī);2018年10期

2 ;新研究發(fā)現(xiàn)改進(jìn)石墨烯材料性能的途徑[J];分析測(cè)試學(xué)報(bào);2018年12期

3 楊化喜;張繼陽(yáng);李紅霞;田明;鄒華;;石墨烯/橡膠納米復(fù)合材料的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀與研究進(jìn)展[J];特種橡膠制品;2018年06期

4 霍川;;石墨烯的制備與應(yīng)用前景[J];西部皮革;2018年22期

5 趙大洲;;石墨烯的制備及功能化研究進(jìn)展[J];皮革與化工;2018年06期

6 ;半導(dǎo)體所等在多層石墨烯物理性質(zhì)研究方面取得新進(jìn)展[J];中國(guó)粉體工業(yè);2012年02期

7 錢(qián)伯章;;石墨烯材料制備技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展[J];石油和化工節(jié)能;2016年01期

8 ;年產(chǎn)100噸石墨烯粉體生產(chǎn)線(xiàn)在常州投運(yùn)[J];中國(guó)粉體工業(yè);2013年06期

9 ;石墨烯標(biāo)委會(huì)擬成立 石墨烯標(biāo)準(zhǔn)化制定企業(yè)待定[J];中國(guó)粉體工業(yè);2013年06期

10 ;石墨烯行業(yè)發(fā)展部署啟動(dòng) 鼓勵(lì)各省成立獨(dú)立聯(lián)盟[J];中國(guó)粉體工業(yè);2013年06期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 高超;方波;;石墨烯宏觀(guān)組裝及多功能復(fù)合材料[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)2017全國(guó)高分子學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)摘要集——主題M：高分子共混與復(fù)合體系[C];2017年

2 李永軍;楊陽(yáng);戴靜;黃曉宇;;功能化石墨烯、氟化石墨烯及石墨烷的制備[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)2017全國(guó)高分子學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)摘要集——主題O：共價(jià)骨架高分子與二維高分子[C];2017年

3 梁秀敏;江雷;程群峰;;仿生石墨烯纖維研究進(jìn)展[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)2017全國(guó)高分子學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)摘要集——主題M：高分子共混與復(fù)合體系[C];2017年

4 方浩明;白樹(shù)林;;三維石墨烯填充高導(dǎo)熱彈性體[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)2017全國(guó)高分子學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)摘要集——主題M：高分子共混與復(fù)合體系[C];2017年

5 許亮;鄒聰;董鑒銳;張興權(quán);羅銘;左明明;曹振興;;氧化石墨烯涂層的制備及其性能表征[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)2017全國(guó)高分子學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)摘要集——主題K：高性能高分子[C];2017年

6 張學(xué)薇;徐晨;汪洋;尹少騫;王韞璐;趙沛;王宏濤;;石墨烯轉(zhuǎn)移方法[A];中國(guó)力學(xué)大會(huì)-2017暨慶祝中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)成立60周年大會(huì)論文集（A）[C];2017年

7 汪洋;程昱;王韞璐;張帥;徐晨;張學(xué)薇;尹少騫;應(yīng)林煒;宋也男;李群仰;趙沛;王宏濤;;石墨烯的制備及力學(xué)性質(zhì)研究[A];中國(guó)力學(xué)大會(huì)-2017暨慶祝中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)成立60周年大會(huì)論文集（A）[C];2017年

8 王熒;郭航;李娟;;石墨烯制備及其應(yīng)用安全[A];《環(huán)境工程》2018年全國(guó)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（中冊(cè)）[C];2018年

9 張艾蕊;查鵬飛;王曉康;范冰奇;王梅玲;王海;;微波氧燃燒-高分辨電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定石墨烯中硫[A];第三屆全國(guó)質(zhì)譜分析學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)摘要集-分會(huì)場(chǎng)6：無(wú)機(jī)質(zhì)譜[C];2017年

10 郭麗;;氧化石墨烯滲透膜的激光改性及其氣體分離性能[A];第二屆中國(guó)氚科學(xué)與技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2017年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前10條

1 本報(bào)記者 王彥彬;石墨烯將怎樣改變通信？[N];通信產(chǎn)業(yè)報(bào);2016年

2 向東;石墨烯材料肩負(fù)的戰(zhàn)略使命[N];中國(guó)工業(yè)報(bào);2018年

3 艾班;石墨烯生物材料制備成功[N];中國(guó)化工報(bào);2014年

4 記者 姜小毛;首個(gè)純石墨烯粉末產(chǎn)品誕生[N];中國(guó)化工報(bào);2013年

5 劉平昌 唐娟;國(guó)內(nèi)首條石墨烯薄膜生產(chǎn)線(xiàn)投產(chǎn)[N];中國(guó)化工報(bào);2013年

6 記者 李東周;石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟成立[N];中國(guó)化工報(bào);2013年

7 特約記者 姚耀富;江蘇成立石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟[N];中國(guó)化工報(bào);2013年

8 朱永康;全球石墨烯市場(chǎng)高速增長(zhǎng)[N];中國(guó)化工報(bào);2013年

9 記者 李東周 通訊員 張華生;全球最大規(guī)模石墨烯生產(chǎn)線(xiàn)投產(chǎn)[N];中國(guó)化工報(bào);2014年

10 郭樺;愛(ài)爾蘭開(kāi)發(fā)石墨烯生產(chǎn)新方法[N];中國(guó)化工報(bào);2014年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 胡新將;磁性耦合氧化石墨烯衍生材料對(duì)多元組分中重金屬離子的吸附機(jī)理研究[D];湖南大學(xué);2015年

2 董雁飛;新型石墨烯太赫茲功能器件研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

3 張利娟;非貴金屬納米電催化劑的制備及性能研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2017年

4 盛利志;石墨烯基材料多維度結(jié)構(gòu)組裝及其性能研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2018年

5 尚玉棟;石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2017年

6 孔維青;多孔碳材料的電容去離子及能量存儲(chǔ)研究[D];湖南大學(xué);2018年

7 王宇;多維度金屬氧（硫）化物/三維石墨烯復(fù)合材料的制備及儲(chǔ)鋰/鈉性能研究[D];北京化工大學(xué);2017年

8 劉桂東;基于超表面的Fano共振及其應(yīng)用研究[D];湖南大學(xué);2018年

9 羅昕;金屬/石墨烯亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的光傳輸特性研究[D];湖南大學(xué);2018年

10 曹烈茂;石墨烯/炔電極分子結(jié)輸運(yùn)性質(zhì)的第一性原理研究[D];湖南師范大學(xué);2018年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 馬馳;基于固態(tài)碳源的CVD法制備石墨烯薄膜研究[D];西北大學(xué);2018年

2 王守龍;管道鎳—石墨烯脈沖電沉積復(fù)合鍍層工藝及性能研究[D];東北石油大學(xué);2018年

3 任壬;金屬/功能化石墨烯納米復(fù)合材料的制備，表征和應(yīng)用[D];蘭州大學(xué);2015年

4 包金琳;石墨烯/電介質(zhì)多層結(jié)構(gòu)中模式耦合與控光特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

5 李?lèi)?SnO_2量子線(xiàn)/多孔石墨烯復(fù)合材料制備及H_2S氣敏性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

6 張宇;石墨烯復(fù)合物光電催化行為的研究[D];華北理工大學(xué);2018年

7 沈榮琦;石墨烯修飾的金屬表面吸附及潤(rùn)濕特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

8 高玄;石墨烯基復(fù)合材料的制備及其對(duì)苯酚、鉻和鈾的吸附性能研究[D];安徽建筑大學(xué);2018年

9 陳友消;石墨烯量子點(diǎn)的可控制備及熒光性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

10 王瑞多;石墨烯微納光纖復(fù)合波導(dǎo)全光調(diào)制器件與特性[D];西北大學(xué);2018年

本文編號(hào)：2678233