發(fā)布時間：2017-08-09 19:29

  本文關(guān)鍵詞：表界面可控的石墨烯基功能復(fù)合材料的構(gòu)筑及其力學(xué)行為研究

  更多相關(guān)文章： 石墨烯 復(fù)合材料 力學(xué) 功能化 氣凝膠

【摘要】：近些年來,石墨烯由于具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性質(zhì),在不同領(lǐng)域獲得廣泛的研究,石墨烯神秘的面紗也逐漸被人們所揭開。目前研究石墨烯有望實現(xiàn)商業(yè)化主要領(lǐng)域有超級電容器、鋰離子電池、電子器件以及聚合物納米復(fù)合材料。但是真正實現(xiàn)這一目標(biāo),仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。石墨烯由于具有高的比表面積,表面能大,容易發(fā)生團聚,在使用過程中是一個非常致命的缺點,如何有效的抑制石墨烯的片片堆疊,有效發(fā)揮石墨烯自身的優(yōu)異性能,一直是研究者追求的目標(biāo)。在聚合物納米復(fù)合材料中,雖然已經(jīng)有很多研究報道了通過共價鍵或非共價鍵功能化制備石墨烯聚合物納米復(fù)合材料,但是如何有效的調(diào)控聚合物基體與石墨烯界面促進(jìn)應(yīng)力的傳遞,并且對界面的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)制,從而優(yōu)化復(fù)合材料的強度和韌性仍然是一個挑戰(zhàn)。另外,如何有效的調(diào)控石墨烯表面化學(xué)、三維結(jié)構(gòu)和功能性以及可靠性,甚至在大的形變下依然保持良好的結(jié)構(gòu)完整性,是我們亟待解決的問題。一些研究工作已經(jīng)在這些方面做了探索,但是結(jié)果仍然不理想。氣凝膠通過冰模板法可以控制孔徑的大小,但是制備具有理想的表面性質(zhì)以及超彈性、可回復(fù)的三維石墨烯結(jié)構(gòu)沒有研究,尤其是調(diào)控材料的力學(xué)及特殊的功能特性(例如,分離材料,電池,壓敏等)。并且,其它一些方法涉及復(fù)雜的制備過程以及使用的氧化石墨烯濃度高和極限高溫處理。因此設(shè)計和制備輕質(zhì)多孔并且能調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)和多功能實際應(yīng)用的三維石墨烯氣凝膠材料仍然是面臨的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)需要發(fā)展一種溫和,低廉的制備方法,且能在納米尺度上有效的調(diào)控石墨烯表面化學(xué),氣凝膠的結(jié)構(gòu)以及其多功能的應(yīng)用。特別是,結(jié)構(gòu)設(shè)計要基于反應(yīng)過程中的化學(xué)作用如何決定微觀結(jié)構(gòu)以及賦予其宏觀性能。三維石墨烯內(nèi)部結(jié)構(gòu)尤其是石墨烯表觀與界面的深入研究卻很少報道,石墨烯片之間的相互作用機理尚且不明。為此,本文在石墨烯氣凝膠復(fù)合材料和石墨烯聚合物納米復(fù)合材料兩個方面對石墨烯表界面的問題展開系統(tǒng)研究,探究不同的表界面對石墨烯復(fù)合材料性能的影響。發(fā)展具有優(yōu)異力學(xué)性能的石墨烯聚合物納米復(fù)合材料,其中界面設(shè)計尤為重要。在這方面,我們利用兩種不同長度的聚醚胺(PEA)分子鏈(D230,D2000)對氧化石墨烯(GO)進(jìn)行表面改性(D230-f-GO, D2000-f-GO),然后制備聚合物復(fù)合材料。在固化過程中環(huán)氧樹脂和氧化石墨烯之間形成共價鍵,構(gòu)筑了良好的界面。改性GO的添加使得環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能得到了明顯改善,包括彈性模量,拉伸強度,斷裂伸長率以及斷裂韌性。更重要的是,相比于D2000-f-GO/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料,D230-f-GO/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有更高的強度,但是延展性和韌性稍低。例如,0.5wt%含量D230-f-GO和D2000-f-GO的復(fù)合材料的拉伸強度分別增加63%和51%,韌性分別提高90%和119%。實驗結(jié)果表明氧化石墨烯與環(huán)氧樹脂之間的界面可以通過不同分子鏈的長度進(jìn)行調(diào)控,這為設(shè)計和發(fā)展石墨烯聚合物納米復(fù)合材料提供了一條新的思路。具有低密度、超彈性,優(yōu)異的壓縮回復(fù)性以及調(diào)控功能化的三維石墨烯氣凝膠的多孔材料在不同領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。我們發(fā)展了一條新的策略來構(gòu)筑形態(tài)和表界面性質(zhì)可控的石墨烯氣凝膠材料；通過簡易的硅烷偶聯(lián)劑功能化石墨烯自組裝過程(低溫80℃,低GO濃度1.0mg/mL)制備了穩(wěn)定的、具有超彈性、可調(diào)控的功能化三維石墨烯氣凝膠結(jié)構(gòu)。這種材料在分子尺度上調(diào)控界面化學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能特性。引入的硅烷偶聯(lián)劑可以調(diào)控孔徑的微觀結(jié)構(gòu)、氣凝膠的表面性質(zhì)、力學(xué)性能以及其他功能特性(超彈性,好的導(dǎo)電性能,穩(wěn)定的粘彈性、高水平的吸收能、優(yōu)異的疏水性、顯著的熱穩(wěn)定性以及高壓-阻敏感性)。這為大規(guī)模、低廉簡單地制備宏觀的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)且調(diào)控結(jié)構(gòu)和功能化提供了一個途徑,有望被應(yīng)用于油水分離、應(yīng)變傳感器、聚合物納米復(fù)合材料等領(lǐng)域。
【關(guān)鍵詞】：石墨烯 復(fù)合材料 力學(xué) 功能化 氣凝膠
【學(xué)位授予單位】：杭州師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB33
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1. 緒論12-50
• 1.1 引言12-13
• 1.2 石墨烯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)13-18
• 1.2.1 石墨烯的結(jié)構(gòu)13-14
• 1.2.2 力學(xué)性能14-16
• 1.2.3 熱學(xué)性質(zhì)16
• 1.2.4 電學(xué)性質(zhì)16-17
• 1.2.5 光學(xué)性質(zhì)17-18
• 1.3 石墨烯的制備18-24
• 1.3.1 自頂向下法19-22
• 1.3.2 自底向上生長法22-24
• 1.4 氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)24
• 1.4.1 氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)24
• 1.4.2 氧化石墨烯的制備24
• 1.5 石墨烯在聚合物復(fù)合材料中的應(yīng)用研究進(jìn)展24-33
• 1.5.1 石墨烯/聚合物復(fù)合材料的加工制備25-27
• 1.5.2 石墨烯/聚合物復(fù)合材料的性能27-31
• 1.5.3 石墨烯/聚合物復(fù)合材料的應(yīng)用31-33
• 1.6 三維多孔石墨烯復(fù)合材料的制備及其應(yīng)用研究進(jìn)展33-39
• 1.6.1 三維多孔石墨烯的制備方法33-36
• 1.6.2 三維多孔石墨烯復(fù)合材料的應(yīng)用36-39
• 1.7 論文的選題依據(jù)和主要研究內(nèi)容39-40
• 參考文獻(xiàn)40-50
• 2. 不同鏈長聚醚胺功能化石墨烯/聚合物復(fù)合材料及其失效機理研究50-69
• 2.1 引言50-51
• 2.2 實驗51-53
• 2.2.1 原料51-52
• 2.2.2 氧化石墨烯(GO)合成及PEA功能化石墨烯(PEA-f-GO)的制備52
• 2.2.3 石墨烯/聚合物復(fù)合材料的制備方法52-53
• 2.2.4 石墨烯/聚合物復(fù)合材料的表征53
• 2.3 結(jié)果與討論53-66
• 2.3.1 聚醚胺接枝在氧化石墨烯表面的表征53-58
• 2.3.2 改性后的氧化石墨烯在環(huán)氧樹脂中的分散性58-60
• 2.3.3 石墨烯/聚合物復(fù)合材料的界面與微觀結(jié)構(gòu)60-61
• 2.3.4 動態(tài)熱機械性能(DMTA)61-63
• 2.3.5 力學(xué)性能63-66
• 2.4 小結(jié)66
• 參考文獻(xiàn)66-69
• 3. 高彈性硅烷化石墨烯多孔氣凝膠復(fù)合材料的構(gòu)筑及其功能特性調(diào)控研究69-105
• 3.1 引言69-70
• 3.2 實驗70-74
• 3.2.1 原料70-71
• 3.2.2 氧化石墨烯的制備71
• 3.2.3 硅烷化石墨烯多孔氣凝膠的制備方法71-72
• 3.2.4 材料的表征72-74
• 3.3 結(jié)果與討論74-101
• 3.3.1 氧化石墨以及氣凝膠表征75-81
• 3.3.2 形貌與結(jié)構(gòu)分析81-87
• 3.3.3 硅烷化石墨烯氣凝膠的密度,導(dǎo)電性和壓縮性質(zhì)87-92
• 3.3.4 氣凝膠彈性研究92-94
• 3.3.5 能量損耗94-95
• 3.3.6 動態(tài)力學(xué)95-96
• 3.3.7 油水分離96-97
• 3.3.8 壓縮與電阻變化的關(guān)系97-101
• 3.4 小結(jié)101
• 參考文獻(xiàn)101-105
• 4. 總結(jié)與展望105-107
• 作者簡歷107

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