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、低導熱系數、高導電率、良好的力學可壓縮性和結構穩(wěn)定性等性能賦予該材料在電子工程、防護工程、傳感技術、熱能工程和儲能等領域廣闊的應用前景。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構可剪裁設計，建立可優(yōu)化的結構和性能改性策略，對推動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構可控性差、宏觀結構可剪裁性弱、力學穩(wěn)定性低和大尺度制備困難等問題，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，具體研究內容包括：
　　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）為前驅體，通過優(yōu)化水熱反應參數（溫度、時長和輔助劑乙二胺用量）、調節(jié)透析和真空冷凍干燥條件，實現二維石墨烯微納單元誘

3、導組裝和可控構筑，得到具有規(guī)則類蜂窩狀微觀結構、超輕密度、高孔隙率和穩(wěn)定結構的三維GA材料。實驗研究表明，該方法制備的GA展現出95％可恢復非線彈性壓縮變形，80%應變幅值下穩(wěn)定循環(huán)加載，以及高耗能密度（0.85J/g）。同時，GA在超輕體積密度（~10mg/cm3）表現出優(yōu)良導電特性（~1.148S/cm）、高靈敏度壓阻特征和穩(wěn)定溫阻效應。
　　2、三維石墨烯基/PDMS高分子復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）柔性導電復合材料，實現三維GA網絡骨架完整和微觀結合界面穩(wěn)定的結構特征。實驗研究表明，該材料具有良好的非線彈性可伸縮變形能力（80%可恢復壓變形和90%可恢復拉變形）、穩(wěn)定的力-電感知特性、高效的焦耳熱效應和高導熱特性。
　　3、三維石墨烯基/Al2O3納米陶瓷復合材料制備與性能研究
　　以三維GA網絡為基底骨架，采用

5、“原子層沉積（Atomic layer deposition，ALD）”方法生長納米厚度Al2O3陶瓷，制備三維石墨烯基/Al2O3納米陶瓷復合材料，微觀上構成石墨烯基底與納米陶瓷緊密鍵合的“三明治”復合層結構（納米陶瓷-石墨烯-納米陶瓷）。該復合材料具有低傳熱、高導電（1S/cm）和超彈性等性能（80%可恢復壓縮變形），實現了三維GA基底和Al2O3納米陶瓷間顯著的力學強化，發(fā)現了陶瓷復合材料在納米尺度上優(yōu)良的彈性變形特性和尺寸效應。

6、
　　4、三維石墨烯超材料制備與負泊松比特性研究
　　基于冷凍成型中控制冰晶定向生長策略，制備具有雙曲微觀形貌的三維石墨烯超材料，通過優(yōu)化三維石墨烯材料變形特性，實現了宏觀顯著負泊松比效應、超彈特性（99%可恢復彈性應變，1000次循環(huán)加載力學性能穩(wěn)定）、穩(wěn)定的結構和良好耗能性能。通過SEM原位壓縮觀測，揭示了觸發(fā)宏觀負泊松比特性的微觀結構演化和變形機制，發(fā)現具有超大長細比石墨烯片壓縮后發(fā)生定向彈性屈曲，導致宏觀幾何形狀橫向

7、內凹收縮變形。此外，負泊松比效應使材料在豎向壓縮過程中產生橫向收縮，導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材料宏觀力學性能。
　　5、3D打印石墨烯材料可剪裁設計與性能研究
　　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，實現了具有可懸空部件三維復雜結構功能石墨烯材料可控構筑和可剪裁設計。以水溶性氧化石墨烯溶液