三維石墨烯基多功能材料可控制備與性能研究.pdf

1、石墨烯氣凝膠（Graphene aerogel，GA）代表石墨烯在三維宏觀尺度構(gòu)筑的一類新型多孔碳納米材料，其豐富的孔隙、超輕的密度、大比表面積、低導(dǎo)熱系數(shù)、高導(dǎo)電率、良好的力學(xué)可壓縮性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等性能賦予該材料在電子工程、防護(hù)工程、傳感技術(shù)、熱能工程和儲(chǔ)能等領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景。以GA為基底模板，研究三維石墨烯基多功能材料可控制備和結(jié)構(gòu)可剪裁設(shè)計(jì)，建立可優(yōu)化的結(jié)構(gòu)和性能改性策略，對(duì)推動(dòng)高性能石墨烯基多功能材料的發(fā)展具有重要意義。鑒于目

2、前三維石墨烯材料制備和性能研究中存在微觀結(jié)構(gòu)可控性差、宏觀結(jié)構(gòu)可剪裁性弱、力學(xué)穩(wěn)定性低和大尺度制備困難等問(wèn)題，本文開展了三維石墨烯基多功能材料可控制備方法與性能研究，具體研究?jī)?nèi)容包括：
　　1、三維石墨烯氣凝膠可控制備與性能研究
　　以大片氧化石墨烯（Large-area graphene oxide,LGO）為前驅(qū)體，通過(guò)優(yōu)化水熱反應(yīng)參數(shù)（溫度、時(shí)長(zhǎng)和輔助劑乙二胺用量）、調(diào)節(jié)透析和真空冷凍干燥條件，實(shí)現(xiàn)二維石墨烯微納單元誘

3、導(dǎo)組裝和可控構(gòu)筑，得到具有規(guī)則類蜂窩狀微觀結(jié)構(gòu)、超輕密度、高孔隙率和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的三維GA材料。實(shí)驗(yàn)研究表明，該方法制備的GA展現(xiàn)出95％可恢復(fù)非線彈性壓縮變形，80%應(yīng)變幅值下穩(wěn)定循環(huán)加載，以及高耗能密度（0.85J/g）。同時(shí)，GA在超輕體積密度（~10mg/cm3）表現(xiàn)出優(yōu)良導(dǎo)電特性（~1.148S/cm）、高靈敏度壓阻特征和穩(wěn)定溫阻效應(yīng)。
　　2、三維石墨烯基/PDMS高分子復(fù)合材料制備與性能研究
　　采用“自下而上”真

4、空冰浴條件自注入工藝，制備三維石墨烯基/聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）柔性導(dǎo)電復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)三維GA網(wǎng)絡(luò)骨架完整和微觀結(jié)合界面穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)特征。實(shí)驗(yàn)研究表明，該材料具有良好的非線彈性可伸縮變形能力（80%可恢復(fù)壓變形和90%可恢復(fù)拉變形）、穩(wěn)定的力-電感知特性、高效的焦耳熱效應(yīng)和高導(dǎo)熱特性。
　　3、三維石墨烯基/Al2O3納米陶瓷復(fù)合材料制備與性能研究
　　以三維GA網(wǎng)絡(luò)為基底骨架，采用

5、“原子層沉積（Atomic layer deposition，ALD）”方法生長(zhǎng)納米厚度Al2O3陶瓷，制備三維石墨烯基/Al2O3納米陶瓷復(fù)合材料，微觀上構(gòu)成石墨烯基底與納米陶瓷緊密鍵合的“三明治”復(fù)合層結(jié)構(gòu)（納米陶瓷-石墨烯-納米陶瓷）。該復(fù)合材料具有低傳熱、高導(dǎo)電（1S/cm）和超彈性等性能（80%可恢復(fù)壓縮變形），實(shí)現(xiàn)了三維GA基底和Al2O3納米陶瓷間顯著的力學(xué)強(qiáng)化，發(fā)現(xiàn)了陶瓷復(fù)合材料在納米尺度上優(yōu)良的彈性變形特性和尺寸效應(yīng)。

6、
　　4、三維石墨烯超材料制備與負(fù)泊松比特性研究
　　基于冷凍成型中控制冰晶定向生長(zhǎng)策略，制備具有雙曲微觀形貌的三維石墨烯超材料，通過(guò)優(yōu)化三維石墨烯材料變形特性，實(shí)現(xiàn)了宏觀顯著負(fù)泊松比效應(yīng)、超彈特性（99%可恢復(fù)彈性應(yīng)變，1000次循環(huán)加載力學(xué)性能穩(wěn)定）、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和良好耗能性能。通過(guò)SEM原位壓縮觀測(cè)，揭示了觸發(fā)宏觀負(fù)泊松比特性的微觀結(jié)構(gòu)演化和變形機(jī)制，發(fā)現(xiàn)具有超大長(zhǎng)細(xì)比石墨烯片壓縮后發(fā)生定向彈性屈曲，導(dǎo)致宏觀幾何形狀橫向

7、內(nèi)凹收縮變形。此外，負(fù)泊松比效應(yīng)使材料在豎向壓縮過(guò)程中產(chǎn)生橫向收縮，導(dǎo)致材料整體處于三軸受壓狀態(tài)，有效克服了石墨烯片層間π-π連接不抗剪的缺陷，顯著提高了三維石墨烯GA材料宏觀力學(xué)性能。
　　5、3D打印石墨烯材料可剪裁設(shè)計(jì)與性能研究
　　基于“依需滴落式噴墨”（Drop-on-demand，DOD）原理提出了兩相液體材料3D打印工藝，實(shí)現(xiàn)了具有可懸空部件三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)功能石墨烯材料可控構(gòu)筑和可剪裁設(shè)計(jì)。以水溶性氧化石墨烯溶液