發(fā)布時間：2020-11-04 01:03

　　 三維石墨烯作為二維石墨烯的衍生物,是一種由二維石墨烯構(gòu)建而成的三維宏觀尺度的全新碳材料。它不僅擁有二維石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性、超大的比表面積,同時還有特殊三維多孔結(jié)構(gòu)賦予它的良好壓縮回復(fù)性能、超大的空隙率以及更優(yōu)異的比表面積,三維互聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也為其提供了豐富的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。這些優(yōu)異的性能使得三維石墨烯在傳感、吸附、催化和儲能等領(lǐng)域都有著非常廣闊的應(yīng)用前景。但是目前的的三維石墨烯及其復(fù)合材料在力學(xué)性能和電學(xué)性能這一方面還存在一定的缺陷,使得制備出來的傳感器靈敏度不夠高,這極大地限制了三維石墨烯及其復(fù)合材料在力學(xué)傳感這一方面的應(yīng)用。本課題首次引入石墨烯二氧化硅納米球(GSB)作為三維石墨烯的添加劑,在三維石墨烯的制備過程中加入GSB,利用GSB納米材料的納米效應(yīng),以及表面包覆的石墨烯提供的額外作用力,使氧化石墨烯微片在還原自組裝過程中能夠更有效、更強(qiáng)力地結(jié)合形成三維結(jié)構(gòu)的石墨烯復(fù)合材料(GSBF)。GSB增強(qiáng)后的GSBF不僅擁有超大的形變回復(fù)能力、力學(xué)性能是一般三維石墨烯的兩倍、導(dǎo)電性能也有了大幅度的提升。此外GSBF力敏性能的測試中也表現(xiàn)出了作為力學(xué)傳感器材料的潛在能力,比如不同頻率的壓力測試中能夠準(zhǔn)確的識別力學(xué)信號,在不同的壓力環(huán)境下有穩(wěn)定的導(dǎo)電性,在多次重復(fù)壓力循環(huán)中保持測量值的穩(wěn)定性和優(yōu)秀的響應(yīng)時間。同時在呼吸和水滴的測試實驗中也充分體現(xiàn)了GSBF材料作為力學(xué)傳感材料在傳感器的應(yīng)用中的潛力。最后,基于GSBF材料的優(yōu)異力學(xué)和電學(xué)性能,結(jié)合GSBF和PDMS柔性材料制備了超高靈敏度的GSBF柔性傳感器,傳感器的靈敏度最高達(dá)到了103,并且響應(yīng)時間在125 ms。同時在300次的循環(huán)測試中表現(xiàn)出十分優(yōu)異的穩(wěn)定性能。在人體活動檢測應(yīng)用演示中,GSFB柔性傳感器能夠準(zhǔn)確的反饋出手指的不同彎曲程度產(chǎn)生的信號,同時能夠準(zhǔn)確的捕捉到每一次手指在不同頻率下的彎曲動作,脈搏檢測中傳感器更是能夠?qū)⒚總�脈搏跳動中的三個特征峰捕捉到。同時在光敏性能的測試中,GSFB也表現(xiàn)出非常弱的光電響應(yīng)能力,證明了在不同波長的光環(huán)境下不會影響傳感器的測量精度。
【學(xué)位單位】：長春理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP212;TB33;TQ127.11
【部分圖文】：

圖 1.1 石墨烯的晶體原子排列結(jié)構(gòu)作是多種碳基材料的基本構(gòu)成單元，它能夠向中向內(nèi)卷曲成一維的碳納米管，或者層層堆疊形成的按層數(shù)的不同可以分為單層石墨烯、雙層石墨雙層的石墨烯都為零帶隙結(jié)構(gòu)，同時有電子和空層石墨烯根據(jù)帶隙結(jié)構(gòu)不同又分為對稱雙層結(jié)構(gòu)對稱雙層結(jié)構(gòu)中價帶與導(dǎo)帶之間有細(xì)微的接觸，而在不對稱雙層石墨烯中石墨烯片層之間產(chǎn)生了雙柵結(jié)構(gòu)的設(shè)計使石墨烯晶體管表現(xiàn)出顯而易見 層六角形蜂巢結(jié)構(gòu)的碳原子在不一樣的堆疊方法式）下形成的二維材料。因為二維結(jié)構(gòu)的晶體材石墨烯表面不存在完全平整的狀態(tài)。石墨烯平面量的褶皺，這種褶皺大概寬為 8~10 nm 同時

圖 1.2 石墨烯以及由石墨烯構(gòu)成的富勒烯、碳納米管以及石墨烯因為其特別的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)而擁有許多優(yōu)秀的性質(zhì)。在石墨烯內(nèi)，每個碳原子與相鄰三個碳原子之間的連接鍵都是 σ 鍵，鍵與鍵為 120°，并且鍵的長度為 1.42 [23]，因為這些 σ 的存在賦予了石結(jié)構(gòu)剛性，它的強(qiáng)度達(dá)到了 130GPa，是目前世界上強(qiáng)度最高的鋼。因此，這種高強(qiáng)度的石墨烯可以應(yīng)用在超薄的 MEMS 中作為傳器。例如在制備石墨烯諧振器時可以將石墨烯沉積在二氧化硅襯 78 品質(zhì)因子且頻率可達(dá) 21~201 MHz 的諧振器[24]。烯具有非常高的光透過率，它的光透過率可以通過菲涅耳公式計算25 10e= 6.08 104Gh ≈ Ω （11 97.7%1 0.5παπα≈ ≈+（201eG

如圖1.3 所示，JinhuiLi[43]等人將使用乙二胺（EDA）作為還原劑與氧化石墨烯（GO）溶液混合，然后在 95℃的環(huán)境中保溫六小時得到由石墨烯片自組裝成的三維石墨烯水凝膠（FGH）。然后將 FGH 在冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥 48 小時去除內(nèi)部的水份得到三維石墨烯氣凝膠（FGA）。最后在氬氣（Ar）的保護(hù)下在高溫中退火60 秒得到了具有超輕質(zhì)量的三維石墨烯。圖 1.3 水熱還原自組裝法制備三維石墨烯a) 超輕三維石墨烯的制備流程圖 b) 三維石墨烯水凝膠在不同時間的制備過程中形態(tài)的電子圖像。
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本文編號：2869365