發(fā)布時間：2018-02-28 19:51

  本文關(guān)鍵詞： 石墨烯纖維 高強度 高模量 高導(dǎo)電 超導(dǎo)　出處：《浙江大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：石墨烯纖維是由石墨烯沿軸向緊密有序排列而成的連續(xù)宏觀組裝材料,是近年來發(fā)展起來的一種新型碳質(zhì)纖維。石墨烯纖維具有高強度、高導(dǎo)電、低密度等特性,已在輕質(zhì)導(dǎo)線、柔性儲能器件等方面展示了廣闊的應(yīng)用前景。然而目前其單絲制備規(guī)模較小,力學(xué)強度和導(dǎo)電性能遠(yuǎn)不能滿足人們對結(jié)構(gòu)功能一體化的需求,極大地限制了石墨烯纖維的應(yīng)用與發(fā)展。因此提高石墨烯纖維的力學(xué)和導(dǎo)電性能,發(fā)展宏量化制備技術(shù),已成為石墨烯纖維研究領(lǐng)域的核心問題,這也是推進石墨烯纖維結(jié)構(gòu)功能一體化發(fā)展的關(guān)鍵。為此,本論文瞄準(zhǔn)石墨烯纖維的高性能化和規(guī)模化制備,立足于纖維微納結(jié)構(gòu)調(diào)控及其與宏觀性能的關(guān)系,開展了系列的研究。主要內(nèi)容如下:1.提出了“多尺度結(jié)構(gòu)缺陷控制”策略,通過拉伸誘導(dǎo)取向、纖維細(xì)旦化、高溫?zé)徇�原等關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新,調(diào)控從分子水平跨越到宏觀材料尺度的多級結(jié)構(gòu)缺陷,實現(xiàn)了高性能石墨烯纖維的制備,闡明了石墨烯纖維綜合性能與多級缺陷結(jié)構(gòu)的關(guān)系。石墨烯纖維拉伸強度和模量分別可達2.2 GPa和400 GPa,導(dǎo)電率高達0.8MS/m,并且具有高于銅的熔斷電流密度(23GA/m2),是目前石墨烯纖維所到達的最高水平。2.自主設(shè)計并搭建了石墨烯纖維束絲示范型生產(chǎn)線,將實驗室單絲制備水平推進到100束絲的連續(xù)制備水平,建立了完整的從石墨烯液晶到連續(xù)濕紡和熱處理的石墨烯纖維束絲制備體系,有助于推動石墨烯纖維的工程化發(fā)展。3.提出“化學(xué)摻雜”策略,制備了電子給體及電子受體摻雜的石墨烯纖維系列,將其導(dǎo)電率提高到金屬水平,揭示了摻雜分子通過增加載流子濃度來提升導(dǎo)電率的機理。其中鉀摻雜石墨烯纖維的導(dǎo)電率高達22 MS/m,高于鎳(15 MS/m),接近鋁(35MS/m)。值得一提的是,其比導(dǎo)電率(導(dǎo)電率與密度的比值)約是鎳的8倍、銅的2倍,與鋁相當(dāng)。這一優(yōu)異性能使石墨烯纖維在輕質(zhì)導(dǎo)線、電動馬達、信號傳輸、能源儲存與轉(zhuǎn)化、電磁屏蔽等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用價值。“化學(xué)摻雜”策略也為其他維度石墨烯宏觀材料導(dǎo)電性能的升級提供了新思路。4.通過氣相插層反應(yīng),實現(xiàn)了鈣插層柔性超導(dǎo)石墨烯纖維的制備,其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為11K,與商用NbTi超導(dǎo)線相當(dāng),是宏觀碳材料領(lǐng)域首例超導(dǎo)纖維。這種新型輕質(zhì)超導(dǎo)纖維在未來電力傳輸、低溫物理、航空航天等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。總之,本論文以石墨烯纖維的高性能化為目標(biāo),發(fā)展了高強高模石墨烯纖維、高導(dǎo)電石墨烯纖維、超導(dǎo)石墨烯纖維系列,系統(tǒng)的研究了石墨烯纖維結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系,為石墨烯纖維的發(fā)展起了重要推動作用。
[Abstract]:Graphene fiber is a kind of continuous macroscopical assembly material which is arranged closely and orderly along the axis of graphene. It is a new type of carbon fiber developed in recent years. Graphene fiber has the characteristics of high strength, high conductivity, low density and so on. It has been widely used in light wire, flexible energy storage devices and so on. However, its monofilament is small in scale, and its mechanical strength and conductivity can not meet the needs of structural and functional integration. Therefore, improving the mechanical and conductive properties of graphene fibers and developing macroquantitative preparation technology have become the core problems in the research field of graphene fibers. This is also the key to promote the development of graphene fiber structure and function integration. Therefore, this paper aims at the high performance and scale preparation of graphene fiber, based on the control of fiber micro and nano structure and its relationship with macroscopical properties. A series of studies have been carried out. The main contents are as follows: 1. The strategy of "multi-scale structural defect control" is put forward, through the key technology innovation, such as tensile induced orientation, fine denier of fiber, high temperature thermal reduction, etc. The preparation of high performance graphene fiber was realized by regulating the multilevel structural defects from molecular level to macroscopic material scale. The relationship between the comprehensive properties of graphene fiber and the multistage defect structure is clarified. The tensile strength and modulus of graphene fiber can reach 2.2 GPa and 400GPA, respectively. The conductivity of graphene fiber is as high as 0.8ms / m, and it has a melting current density of 23GA / m2, which is higher than that of copper. The highest level reached by allene fibers. 2. A demonstration production line of graphene fiber bundles was designed and built. The preparation system of graphene fiber bundles from graphene liquid crystal to continuous wet spinning and heat treatment was established by pushing the preparation level of laboratory monofilament to the continuous preparation level of 100 bundles. It is helpful to promote the engineering development of graphene fiber. 3. A "chemical doping" strategy is proposed to prepare the series of graphene fibers doped with electron donor and electron acceptor. The conductivity of graphene fibers is increased to metal level. The mechanism of increasing the conductivity of doped molecules by increasing carrier concentration is revealed, in which the conductivity of potassium doped graphene fibers is as high as 22 Ms / m, which is higher than that of Nickel-doped graphene fibers at 15 Ms / m ~ (-1), and is close to that of Al ~ (35) M / m ~ (-1). It is worth mentioning that, Its specific conductivity (the ratio of conductivity to density) is about 8 times that of nickel and 2 times that of copper, and is comparable to aluminum. This excellent performance makes graphene fibers in light conductors, electric motors, signal transmissions, energy storage and conversion. Electromagnetic shielding and other fields have great application value. The "chemical doping" strategy also provides a new way to upgrade the conductivity of other dimension graphene macroscopical materials. 4. Through gas phase intercalation reaction, The preparation of calcium intercalated flexible superconducting graphene fiber is realized. The superconducting transition temperature is 11K, which is the same as commercial NbTi superconductor. It is the first superconducting fiber in the field of macroscopic carbon materials. In this paper, the high strength and high modulus graphene fiber, high conductive graphene fiber, superconducting graphene fiber series have been developed with the aim of high performance of graphene fiber. The relationship between structure and properties of graphene fibers is studied systematically, which plays an important role in the development of graphene fibers.
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TQ342.74

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本文編號：1548714