【摘要】：石墨烯作為二維碳基納米材料,只有一個(gè)原子的厚度,具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)性能,基于石墨烯制備的一維、二維和三維材料在透明導(dǎo)電薄膜、儲(chǔ)能材料、催化劑載體、氣敏材料、單分子探測(cè)器等方面具有極為廣闊的應(yīng)用前景。其中石墨烯及其復(fù)合物的一維纖維材料,因其具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電、柔性可編織和簡(jiǎn)單易加工的特點(diǎn),適合于制備超輕質(zhì)導(dǎo)線、柔性可穿戴器件、智能織物等。目前多數(shù)報(bào)道的關(guān)于石墨烯纖維的研究主要著眼于提高纖維的斷裂強(qiáng)度,但是由于石墨烯纖維的脆性斷裂,其拉伸應(yīng)變往往較低,其柔性也有待提高。本文所研究的具有獨(dú)特螺旋結(jié)構(gòu)的石墨烯纖維,能夠同時(shí)獲得高強(qiáng)度和高彈性的特征,有助于進(jìn)一步開發(fā)高性能的可拉伸、可穿戴器件。本文采用改進(jìn)hummers法,運(yùn)用硫酸-磷酸-高錳酸鉀體系制備了高純氧化石墨烯。利用流延法制備了柔性透明的氧化石墨烯薄膜,用不同還原方法對(duì)其進(jìn)行還原,并研究還原前后的形態(tài)和性能變化,發(fā)現(xiàn)經(jīng)45%的氫碘酸還原后,能最大程度的保持石墨烯薄膜在還原前的表面形貌。在聚四氟乙烯基底上制備的大面積氧化石墨烯薄膜,經(jīng)自然干燥后,裁剪成不同寬度的條帶,并采用干法紡絲,借助于水汽調(diào)節(jié)氧化石墨烯薄膜的濕度,將條帶紡織成具有較長(zhǎng)連續(xù)螺旋結(jié)構(gòu)的不同直徑的氧化石墨烯螺旋纖維,且纖維的螺旋結(jié)構(gòu)均勻、螺旋傾角一致、表面光滑,還具有柔性可拉伸的特點(diǎn)。將氧化石墨烯螺旋纖維經(jīng)氫碘酸還原后得到的導(dǎo)電石墨烯螺旋纖維,保持其螺旋結(jié)構(gòu)不變,且纖維表面光滑連續(xù)。石墨烯螺旋纖維具有較好的機(jī)械性能,其強(qiáng)度達(dá)12 MPa,最大斷裂應(yīng)變達(dá)60%,在20%的拉伸循環(huán)下表現(xiàn)出良好彈性恢復(fù)性能。拉伸過程中電阻呈規(guī)律性變化,隨著應(yīng)變的增加,電阻呈線性減小。經(jīng)過多次循環(huán)后,這種變化規(guī)律依然穩(wěn)定。探索了石墨烯螺旋纖維做為可拉伸溫度傳感器和電抽吸的應(yīng)用研究。測(cè)試了纖維的電阻隨溫度的變化,隨著溫度的增加電阻減小,主要是由于石墨烯的半導(dǎo)體行為特征。發(fā)現(xiàn)在300o C的高溫和應(yīng)變范圍在0%~50%的不同拉伸應(yīng)變下,螺旋纖維顯示出穩(wěn)定的熱學(xué)性能,具有用作柔性熱敏器件的潛在價(jià)值。導(dǎo)電的石墨烯螺旋纖維內(nèi)部具有軸向貫通微通道和石墨烯疏水的特點(diǎn),由其制備的電抽吸具有良好的可控開關(guān)性能,激發(fā)的閾值電壓為-0.8V,理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)試得到的通道尺寸一致,約為100 nm,對(duì)液體抽吸至飽和時(shí),能吸收是自身重量6倍的水。為進(jìn)一步提高石墨烯螺旋纖維的性能,本文提出了制備氧化石墨烯-碳納米管復(fù)合薄膜的新方法,不同于以往機(jī)械攪拌制備復(fù)合薄膜的方法,該方法能一步制備均勻交替疊加的氧化石墨烯-碳納米管復(fù)合薄膜�；谠搹�(fù)合薄膜制備的氧化石墨烯-碳納米管復(fù)合螺旋纖維在對(duì)水、乙醇和丙酮等液體的吸附和脫附過程中,能產(chǎn)生良好的致動(dòng)效果,能拉起是自身重量約300倍的重物。經(jīng)氫碘酸還原后得到的石墨烯-碳納米管復(fù)合螺旋纖維的最大斷裂強(qiáng)度達(dá)135 MPa,最大斷裂應(yīng)變達(dá)130%,分別是純石墨烯螺旋纖維的10倍和2倍;其作為溫度傳感器,隨溫度變化的線性更好,響應(yīng)度更高,是純石墨烯螺旋纖維的7倍;利用編織方法,制備了基于該種復(fù)合螺旋纖維編織網(wǎng)的可拉伸、柔性可彎曲的超級(jí)電容器具有良好的電化學(xué)性能,其比電容在100 m V/s掃速下為44 m F/cm2。
[Abstract]:As a two-dimensional carbon based nanomaterial, graphene has only one atomic thickness, with excellent mechanical, electrical, thermal and optical properties. The one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional materials based on graphene have a very broad application prospect in transparent conductive films, energy storage materials, catalyst carriers, gas sensitive materials, single molecule detectors and so on. The one-dimensional fiber materials of graphene and its composites have the characteristics of high strength, high conductivity, flexible weaving and easy processing. It is suitable for the preparation of ultralight wire, flexible wearable device and intelligent fabric. Most of the reports about graphene fiber are mainly focused on improving the fracture strength of the fiber, but because of it, The brittle fracture of graphene fibers is often low and its flexibility needs to be improved. The unique spiral structure of graphene fibers in this paper can simultaneously obtain high strength and high elastic characteristics and help to further develop high performance tensile and wearable devices. In this paper, the improved Hummers method and sulfuric acid are used in this paper. The high pure oxygen fossil Mexico was prepared by the phosphoric acid Potassium Permanganate system. The flexible and transparent graphene oxide film was prepared by the casting process. It was reduced by different reduction methods. The changes of morphology and properties before and after reduction were studied. It was found that after reduction of 45% hydroiodic acid, the surface of graphene film could be kept to the surface before reduction to the maximum. The large area of graphene oxide films prepared on the polytetrafluoroethylene base are cut into strips of different width after natural drying and dry spinning, and the strips are woven into different diameters of graphite oxide spiral fibers with a long continuous spiral structure by using water vapor to adjust the humidity of the graphene oxide film. The spiral structure of the spiral is uniform, the spiral inclination is consistent, the surface is smooth, and it has the characteristic of flexible and extensible. The spiral fiber of the graphite oxide spiral fiber is reduced by the reduction of the hydroiodic acid. The spiral structure of the spiral fiber is kept constant and the surface of the fiber is smooth and continuous. The spiral fiber of graphene has good mechanical properties and its strength is 12. MPa, the maximum fracture strain is 60%, and the elastic recovery performance is good under the 20% tensile cycle. The resistance assumes a regular change during the stretching process and the resistance linearly decreases with the increase of strain. After several cycles, the change law is still stable. The resistance of the fiber is measured with the change of temperature. The resistance decreases with the increase of temperature, mainly due to the behavior characteristics of the graphene. It is found that the high temperature and strain range of 300O C at different tensile strains of 0%~50% show stable thermal properties, and have the potential price for the flexible thermosensitive devices. The conductive graphene spiral fiber has the characteristics of the axial penetration microchannel and the hydrophobicity of the graphene. The electrical suction prepared by it has a good controllable switching performance and the threshold voltage is -0.8V. The theoretical calculation and the actual test have the same channel size, about 100 nm. When the liquid is sucked to saturation, it can absorb itself. In order to further improve the properties of graphene spiral fibers, a new method of preparation of graphene oxide carbon nanotube composite films is proposed in this paper, which is different from the preparation of composite films by mechanical agitation. This method can be used to prepare homogeneous and alternate superimposition of oxidizing stone carbon nanotube composite thin films. Based on this composite thin film, the composite thin film can be prepared. In the process of adsorption and desorption of water, ethanol and acetone, the film made of graphene oxide carbon nanotube composite spiral fiber can produce good actuation effect and can pull up a weight about 300 times of its own weight. The maximum fracture strength of graphene carbon nanotube complex spiral fiber obtained by hydrogen iodic acid reduction reaches 135 MPa, and the maximum strength is up to 135. The strain of the large fracture is 130%, which is 10 times and 2 times that of the pure graphene spiral fiber. As a temperature sensor, its linearity is better with the temperature change, the response degree is higher than that of the pure graphene spiral fiber, which is 7 times that of the pure graphene spiral fiber. The electrochemical performance is 44 m F/cm2. at a specific capacitance of 100 m V/s.
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TQ342.74

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本文編號(hào)：2140345