石墨烯基層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的制備及研究.pdf

1、近年來，智能驅(qū)動材料以其杰出的性能獲得了科學(xué)和工程領(lǐng)域的高度重視，這些領(lǐng)域包括人工肌肉，傳感器、形狀記憶和機(jī)器人制造。驅(qū)動材料可將電、光、熱、水梯度等能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能用來驅(qū)動自身運(yùn)動。目前各種新穎的雙層結(jié)構(gòu)驅(qū)動材料已經(jīng)研制成功，但是這種結(jié)構(gòu)驅(qū)動材料，不僅無法自發(fā)地連續(xù)轉(zhuǎn)化能量，驅(qū)動連續(xù)運(yùn)動，而且受限于組成材料自身的結(jié)構(gòu)與性能，在驅(qū)動效率及速度、機(jī)械穩(wěn)定性、靈敏度等方面還存在不足。
　　在本論文的研究中，結(jié)合石墨烯和聚多巴胺兩種材料

2、的各自優(yōu)點，設(shè)計了一種水梯度驅(qū)動響應(yīng)層狀結(jié)構(gòu)材料。首先制備出大尺寸氧化石墨烯（GO），然后采用原位法制備還原氧化石墨烯—聚多巴胺（RGO-PDA）納米復(fù)合片的分散液，再采用真空抽濾自組裝的方法將RGO-PDA納米復(fù)合片組裝成宏觀尺度的層狀結(jié)構(gòu)納米復(fù)合薄膜。
　　采用傅立葉紅外光譜（FTIR）、激光拉曼（Raman）、X射線光電子能譜分析（XPS）、原子力（AFM）、掃描電鏡（SEM）等表征手段確定了這種薄膜的結(jié)構(gòu)特征，即由還原氧化

3、石墨烯—聚多巴胺的納米復(fù)合片，以高度有序堆疊的方式組裝而成層狀結(jié)構(gòu)納米復(fù)合薄膜。在這種納米復(fù)合薄膜中，力學(xué)強(qiáng)度優(yōu)良而柔韌的大尺寸還原氧化石墨烯納米片構(gòu)成了驅(qū)動器的“骨架”，對濕度敏感的聚多巴胺附著于還原氧化石墨烯納米片上，類似附在“骨骼”上的“肌肉”用以驅(qū)動材料運(yùn)動。
　　采用了X射線衍射儀（XRD）、FTIR、電化學(xué)工作站、數(shù)碼相機(jī)研究了復(fù)合薄膜在濕度梯度環(huán)境中的結(jié)構(gòu)演變行為、響應(yīng)靈敏度、響應(yīng)可逆性。發(fā)現(xiàn)當(dāng)薄膜上下表面存在濕度梯

4、度時，截面方向會發(fā)生不對稱膨脹，形成一種可逆的雙層結(jié)構(gòu)材料，使薄膜發(fā)生可逆的彎曲運(yùn)動。調(diào)控環(huán)境相對濕度（RH）可精確控制薄膜彎曲速度。本文實驗中觀察到薄膜驅(qū)動器的彎曲速度可達(dá)到1000°/s，是迄今文獻(xiàn)報道速度最快的濕度驅(qū)動器。此外，這種膜具有高度的靈敏性，它能夠捕捉人類對周圍環(huán)境產(chǎn)生的微弱濕度波動信號。
　　利用層狀結(jié)構(gòu)納米復(fù)合薄膜驅(qū)動材料的快速自驅(qū)動特性，本文制備了滾動行走機(jī)器裝置、“蜻蜓”機(jī)器模型及裝載機(jī)模型，這些機(jī)器概念模