本文關(guān)鍵詞： 石墨烯 薄膜 原子氧效應(yīng) sp~2雜化　出處：《吉林大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：近年來,空間環(huán)境及其效應(yīng)對航天器的嚴(yán)酷性已被逐步認(rèn)識。低地球軌道(距地面高度200km-700km)是空間站、飛船、航天飛機(jī)以及一些應(yīng)用衛(wèi)星的主要運(yùn)行軌道。原子氧(AO)是低地球軌道環(huán)境大氣的主要成分,含量約占?xì)怏w總量的80%,作為低地球軌道環(huán)境中含量最高的粒子,其對航天器的危害也是巨大的。造成原子氧危害的原因主要有以下兩個(gè)方面:其一,原子氧的化學(xué)活性極強(qiáng),極易與材料發(fā)生反應(yīng);其二,航天器在其軌道上的運(yùn)行速度極高,可以達(dá)到8km/s,原子氧作用于航天器材料的動(dòng)能可以達(dá)到4e V,當(dāng)具有強(qiáng)氧化性、高通量、高能量的原子氧與材料相互作用時(shí),會(huì)對材料的性能和表面形貌產(chǎn)生影響,致使在航天器的正常運(yùn)行和使用壽命方面有不良影響。到目前為止,人們對原子氧效應(yīng)的機(jī)理理解還不是很充分,研究人員們關(guān)心的問題主要有以下幾個(gè)方面:材料的質(zhì)損是由于剝落還是更復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng);材料表面退降與碰撞角度的依存關(guān)系;材料表面溫度對反應(yīng)的影響;退降產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物是什么;原子氧效應(yīng)局限在材料表面還是能擴(kuò)展到材料體內(nèi)。石墨烯的研究價(jià)值主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面,一是作為sp~2雜化碳材料的基本結(jié)構(gòu)單元,可被當(dāng)作模型材料使用;另一方面,石墨烯擁有眾多的優(yōu)異特性,如高比表面積、高載流子遷移率、高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率、高透光率、高強(qiáng)度等,因此在許多領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用潛力。石墨烯作為sp~2雜化碳材料的基本結(jié)構(gòu)單元,其原子氧反應(yīng)規(guī)律對于其它種類碳膜傳感器的原子氧反應(yīng)狀況也具有指導(dǎo)作用;同時(shí),由于石墨烯具有確定的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),也非常適合作為模型碳材料首先進(jìn)行原子氧反應(yīng)規(guī)律的研究。本文第一部分工作,采用氧化還原法制備了兩組不同還原程度的石墨烯薄膜,并且薄膜含氧基團(tuán)的含量在制備過程中可控。對制得的薄膜進(jìn)行了不同原子氧通量的輻照,對樣品的質(zhì)量損失、剝蝕率進(jìn)行了計(jì)算分析,結(jié)果表明石墨烯薄膜具有較低的原子氧剝蝕率,相比碳、石墨、Kapton、Teflon、環(huán)氧樹脂等常用空間材料,具有更好的抗原子氧性能。并且不同還原程度的石墨烯薄膜展示出了不同程度的抗原子氧性能,還原程度高的薄膜具有更好的抗原子氧性能,因此可以通過調(diào)控制備過程中薄膜的還原程度來制備具有適當(dāng)抗原子氧性能的石墨烯薄膜。為了研究原子氧輻照環(huán)境下石墨烯薄膜的導(dǎo)電性能的變化,采用導(dǎo)電粘結(jié)劑將鉑絲連接到石墨烯薄膜的兩端,形成了石墨烯薄膜電阻,在原子氧輻照環(huán)境下考察薄膜電阻的導(dǎo)電性能變化情況,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示薄膜電阻穩(wěn)定時(shí)間高達(dá)149h,對應(yīng)的原子氧通量為1.3x10~(21)atom/cm2,并且其有效工作時(shí)間可以隨石墨烯薄膜電阻的還原程度在制備過程中進(jìn)行調(diào)控。本文第二部分工作,通過一系列測試方法對石墨烯薄膜物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行表征,對比不同原子氧通量輻照下石墨烯薄膜的變化情況,分析石墨烯與原子氧作用情況,測試結(jié)果表明原子氧對石墨烯薄膜的作用既有對其表面的物理濺射還有與材料表面的化學(xué)反應(yīng),作用過程中,物理濺射導(dǎo)致石墨烯薄膜表面被剝蝕,二維平面結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)孔洞,表面呈現(xiàn)凹凸不平,化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致薄膜表面氧元素含量逐漸增加,原子氧與石墨烯發(fā)生化學(xué)反應(yīng),逐漸破壞原有的sp~2雜化碳碳鍵,與石墨烯逐漸形成C=O、環(huán)氧鍵,碳原子雜化方式逐漸變成sp~3。
[Abstract]:In recent years, severe space environment and its effects on the spacecraft has been recognized gradually. The low earth orbit (altitude 200km-700km) is a space station, spacecraft, space shuttle and satellite orbit. The main application of atomic oxygen (AO) is the main component of the low earth orbit environment atmosphere, the total gas content of about 80%, as the particle content in low earth orbit spacecraft to the highest, its harm is enormous. The cause of atomic oxygen hazards are mainly in the following two aspects: first, the chemical activity of atomic oxygen is extremely strong, react easily with the material; second, the speed of the spacecraft orbit high that can reach 8km/s. The kinetic energy of atomic oxygen on spacecraft materials can reach 4E V, when has strong oxidation, high throughput, interaction of atomic oxygen with high energy materials, performance and surface morphology of the material. Have an impact, resulting in adverse effects on the normal operation of the spacecraft and service life. So far, the mechanism of understanding on the atomic oxygen effects is not good, the researchers are concerned about the problems mainly in the following aspects: the mass loss of materials is due to the peeling or more complex chemical reactions; surface degradation and the collision angle dependency relation; influence of surface temperature on the reaction; what is the reaction product of degradation generated; atomic oxygen effects on the surface of the material or limitations can be extended to materials in vivo. The research value of graphene is mainly reflected in two aspects, one is as the basic structural unit of sp~2 hybrid carbon material, can be as a model of material use; on the other hand, graphene has many excellent features, such as high specific surface area, high carrier mobility, high conductivity, high thermal conductivity, high light transmittance, high strength and so on, because of This has great potential applications in many fields. Graphene as the basic structural unit of sp~2 hybrid carbon material, the atomic oxygen reaction rules for other kinds of carbon film sensor atomic oxygen reaction condition also has a guiding role; at the same time, because graphene has determined the structure and properties, also very suitable for the study as a model of carbon the material first reaction of atomic oxygen. In the first part of this work, the oxidation of two groups of different levels of reduction of graphene thin films were prepared by reducing the content of the film, and the oxygen containing groups in the preparation process of controllable. The prepared films were irradiated by different atomic oxygen flux, mass loss of the samples. The denudation rate was calculated and analyzed. The results show that the graphene films with atomic oxygen in low rate, compared with carbon, graphite, Kapton, Teflon, epoxy resin and other commonly used materials in space, has better The atomic oxygen resistance. And the reduction degree of graphene films showing the atomic oxygen resistance in different degree, high degree of reduction film has better atomic oxygen resistance, so the reduction degree of the film can be controlled by adjusting the preparation process for the preparation of graphene films with appropriate atomic oxygen resistance. In order to change the conductive properties of graphene films of atomic oxygen irradiation environment, the conductive adhesive platinum wire connected to both ends of the graphene films, formed graphene thin film resistor, the conductive properties of thin film resistor to investigate the changes in atomic oxygen irradiation environment. The experimental results show that the thin film resistor stable time up to 149h atoms the oxygen flux corresponding to 1.3x10~ (21) atom/cm2, and the degree of reduction of the effective working time with the graphene film resistance regulation in the preparation process of the second part of this. Work to characterize the physical and chemical properties of graphene films through a series of test methods, the changes of graphene films between different atomic oxygen flux under irradiation, analysis of graphene and atomic oxygen effects, test results show that the effect of atomic oxygen on graphene thin film sputtering on the surface of both the physical and chemical reaction the surface of the material, process, physical sputtering surface resulting in graphene film was eroded, planar structure has holes, showed uneven surface, chemical reaction causes the surface oxygen content of the film increased gradually, atomic oxygen and graphene chemical reaction, the gradual destruction of the original sp~2 hybridized carbon carbon bond, gradually formed C=O. With graphite epoxy bond, carbon atom hybridizationway gradually become sp~3.

【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TQ127.11;TB383.2

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本文編號：1517968