收藏本站
《郑州大学》 2017年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

石墨烯纤维的可控制备与应用研究

花春飞  
【摘要】:石墨烯作为二维碳基纳米材料,只有一个原子的厚度,具有优异的力学、电学、热学和光学性能,基于石墨烯制备的一维、二维和三维材料在透明导电薄膜、储能材料、催化剂载体、气敏材料、单分子探测器等方面具有极为广阔的应用前景。其中石墨烯及其复合物的一维纤维材料,因其具有高强度、高导电、柔性可编织和简单易加工的特点,适合于制备超轻质导线、柔性可穿戴器件、智能织物等。目前多数报道的关于石墨烯纤维的研究主要着眼于提高纤维的断裂强度,但是由于石墨烯纤维的脆性断裂,其拉伸应变往往较低,其柔性也有待提高。本文所研究的具有独特螺旋结构的石墨烯纤维,能够同时获得高强度和高弹性的特征,有助于进一步开发高性能的可拉伸、可穿戴器件。本文采用改进hummers法,运用硫酸-磷酸-高锰酸钾体系制备了高纯氧化石墨烯。利用流延法制备了柔性透明的氧化石墨烯薄膜,用不同还原方法对其进行还原,并研究还原前后的形态和性能变化,发现经45%的氢碘酸还原后,能最大程度的保持石墨烯薄膜在还原前的表面形貌。在聚四氟乙烯基底上制备的大面积氧化石墨烯薄膜,经自然干燥后,裁剪成不同宽度的条带,并采用干法纺丝,借助于水汽调节氧化石墨烯薄膜的湿度,将条带纺织成具有较长连续螺旋结构的不同直径的氧化石墨烯螺旋纤维,且纤维的螺旋结构均匀、螺旋倾角一致、表面光滑,还具有柔性可拉伸的特点。将氧化石墨烯螺旋纤维经氢碘酸还原后得到的导电石墨烯螺旋纤维,保持其螺旋结构不变,且纤维表面光滑连续。石墨烯螺旋纤维具有较好的机械性能,其强度达12 MPa,最大断裂应变达60%,在20%的拉伸循环下表现出良好弹性恢复性能。拉伸过程中电阻呈规律性变化,随着应变的增加,电阻呈线性减小。经过多次循环后,这种变化规律依然稳定。探索了石墨烯螺旋纤维做为可拉伸温度传感器和电抽吸的应用研究。测试了纤维的电阻随温度的变化,随着温度的增加电阻减小,主要是由于石墨烯的半导体行为特征。发现在300o C的高温和应变范围在0%~50%的不同拉伸应变下,螺旋纤维显示出稳定的热学性能,具有用作柔性热敏器件的潜在价值。导电的石墨烯螺旋纤维内部具有轴向贯通微通道和石墨烯疏水的特点,由其制备的电抽吸具有良好的可控开关性能,激发的阈值电压为-0.8V,理论计算和实际测试得到的通道尺寸一致,约为100 nm,对液体抽吸至饱和时,能吸收是自身重量6倍的水。为进一步提高石墨烯螺旋纤维的性能,本文提出了制备氧化石墨烯-碳纳米管复合薄膜的新方法,不同于以往机械搅拌制备复合薄膜的方法,该方法能一步制备均匀交替叠加的氧化石墨烯-碳纳米管复合薄膜。基于该复合薄膜制备的氧化石墨烯-碳纳米管复合螺旋纤维在对水、乙醇和丙酮等液体的吸附和脱附过程中,能产生良好的致动效果,能拉起是自身重量约300倍的重物。经氢碘酸还原后得到的石墨烯-碳纳米管复合螺旋纤维的最大断裂强度达135 MPa,最大断裂应变达130%,分别是纯石墨烯螺旋纤维的10倍和2倍;其作为温度传感器,随温度变化的线性更好,响应度更高,是纯石墨烯螺旋纤维的7倍;利用编织方法,制备了基于该种复合螺旋纤维编织网的可拉伸、柔性可弯曲的超级电容器具有良好的电化学性能,其比电容在100 m V/s扫速下为44 m F/cm2。
【关键词】:石墨烯 纤维 螺旋结构 柔性 超级电容器 传感器
【学位授予单位】:郑州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TQ342.74
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-12
  • 1 绪论12-46
  • 1.1 引言12-13
  • 1.2 石墨烯的结构、性质、制备13-21
  • 1.2.1 石墨烯13-14
  • 1.2.2 石墨烯的性质14-16
  • 1.2.3 石墨烯的制备16-21
  • 1.3 氧化石墨烯的制备与性质21-26
  • 1.3.1 氧化石墨烯的制备方法22-24
  • 1.3.2 氧化石墨烯的性质24-25
  • 1.3.3 氧化石墨烯的还原25-26
  • 1.4 氧化石墨烯的微观及宏观组装材料和应用26-34
  • 1.4.1 一维结构的石墨烯材料27-30
  • 1.4.2 二维结构的石墨烯材料30-33
  • 1.4.3 三维结构的石墨烯材料33-34
  • 1.5 石墨烯纤维及其复合纤维的性质34-36
  • 1.5.1 力学性能35
  • 1.5.2 电学性能35-36
  • 1.5.3 热学性能36
  • 1.6 石墨烯纤维及其复合纤维的应用36-39
  • 1.6.1 纤维的超轻导线应用37
  • 1.6.2 纤维状储能器件37-38
  • 1.6.3 致动器38-39
  • 1.7 论文选题依据和主要内容39-41
  • 1.7.1 选题依据39-40
  • 1.7.2 主要内容40-41
  • 参考文献41-46
  • 2 实验原材料、表征仪器及方法46-54
  • 2.1 实验原材料和试剂46-47
  • 2.2 实验仪器及设备47
  • 2.3 主要表征仪器、方法和原理47-51
  • 2.3.1 扫描电子显微镜47-48
  • 2.3.2 透射电子显微镜(TEM)48-49
  • 2.3.3 激光拉曼光谱仪49-50
  • 2.3.4 X射线衍射仪50
  • 2.3.5 热重分析50-51
  • 2.4 电化学表征51-53
  • 2.4.1 循环伏安法测试51-52
  • 2.4.2 恒电流充放电测试(GCD)52-53
  • 2.5 力学测试与表征53
  • 2.6 力电测试与表征53
  • 2.7 本章小结53-54
  • 3.石墨烯薄膜的制备与表征54-64
  • 3.1 引言54
  • 3.2 氧化石墨烯的制备54-56
  • 3.2.1 石墨的选择及加工54-55
  • 3.2.2 氧化体系的选择55
  • 3.2.3 实验流程及细节55-56
  • 3.3 氧化石墨烯的还原56-61
  • 3.3.1 硼氢化钠还原氧化石墨烯薄膜56-58
  • 3.3.2 水合肼还原氧化石墨烯薄膜58-59
  • 3.3.3 氢碘酸还原氧化石墨烯薄膜59-61
  • 3.4 本章小结61-62
  • 参考文献62-64
  • 4. 石墨烯纤维的制备和应用64-104
  • 4.1 引言64
  • 4.2 大面积氧化石墨烯薄膜的制备与表征64-71
  • 4.2.1 氧化石墨烯溶液的制备64-65
  • 4.2.2 大面积氧化石墨烯薄膜的制备65-69
  • 4.2.3 大面积氧化石墨烯薄膜的表征69-71
  • 4.3 石墨烯螺旋纤维的制备与性能测试71-86
  • 4.3.1 引言71-72
  • 4.3.2 石墨烯螺旋纤维的制备72-76
  • 4.3.3 氧化石墨烯螺旋纤维的表征76-77
  • 4.3.4 石墨烯螺旋纤维的制备与表征77-80
  • 4.3.5 石墨烯螺旋纤维的力学性能80-85
  • 4.3.6 石墨烯螺旋纤维的力电性能85-86
  • 4.4 基于石墨烯螺旋纤维的热敏传感器的研究86-91
  • 4.4.1 基于石墨烯螺旋纤维的热敏传感器的制备87
  • 4.4.2 基于石墨烯螺旋纤维的热敏传感器的测试87-91
  • 4.5 基于石墨烯螺旋纤维的电抽吸的研究91-99
  • 4.5.1 引言91-92
  • 4.5.2 基于石墨烯螺旋纤维的电抽吸器件的制备92-93
  • 4.5.3 基于石墨烯螺旋纤维的电抽吸器件的测试93-99
  • 4.6 本章小结99-100
  • 参考文献100-104
  • 5 石墨烯-碳纳米管复合纤维的制备和应用研究104-142
  • 引言104-105
  • 5.1 氧化石墨烯-碳纳米管复合薄膜的制备和性质研究105-109
  • 5.1.1 氧化石墨烯-碳纳米管复合薄膜的制备105-107
  • 5.1.2 氧化石墨烯-碳纳米管复合薄膜的表征107-109
  • 5.2 氧化石墨烯-碳纳米管复合螺旋纤维的制备及应用研究109-118
  • 5.2.1 引言109-110
  • 5.2.2 氧化石墨烯-碳纳米管复合螺旋纤维的制备110-111
  • 5.2.3 氧化石墨烯-碳纳米管复合螺旋纤维的表征111-114
  • 5.2.4 氧化石墨烯-碳纳米管复合螺旋纤维作为湿度致动器的研究114-118
  • 5.3 石墨烯-碳纳米管复合螺旋纤维的制备和性能研究118-128
  • 5.3.1 石墨烯-碳纳米管复合螺旋纤维的制备与表征118-120
  • 5.3.2 石墨烯-碳纳米管复合螺旋纤维的力学性能研究120-123
  • 5.3.3 石墨烯-碳纳米管复合螺旋纤维的力电性能及其应用研究123-126
  • 5.3.4 石墨烯-碳纳米管复合螺旋纤维的热电性能及其应用研究126-128
  • 5.4 基于石墨烯-碳纳米管复合螺旋纤维的可拉伸超级电容器应用研究128-136
  • 5.4.1 基于石墨烯-碳纳米管复合螺旋纤维的可拉伸超级电容器制备130-131
  • 5.4.2 石墨烯-碳纳米管复合螺旋纤维的可拉伸超级电容器性能研究131-136
  • 5.5 本章小结136-137
  • 参考文献137-142
  • 6.总结与展望142-144
  • 攻读学位期间发表的学术论文和发明专利144-146
  • 学术论文144
  • 发明专利144-146
  • 致谢146

【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 ;科学家首次用纳米管制造出石墨烯带[J];电子元件与材料;2009年06期
2 ;石墨烯研究取得系列进展[J];高科技与产业化;2009年06期
3 ;新材料石墨烯[J];材料工程;2009年08期
4 ;日本开发出在蓝宝石底板上制备石墨烯的技术[J];硅酸盐通报;2009年04期
5 马圣乾;裴立振;康英杰;;石墨烯研究进展[J];现代物理知识;2009年04期
6 傅强;包信和;;石墨烯的化学研究进展[J];科学通报;2009年18期
7 ;纳米中心石墨烯相变研究取得新进展[J];电子元件与材料;2009年10期
8 徐秀娟;秦金贵;李振;;石墨烯研究进展[J];化学进展;2009年12期
9 张伟娜;何伟;张新荔;;石墨烯的制备方法及其应用特性[J];化工新型材料;2010年S1期
10 万勇;马廷灿;冯瑞华;黄健;潘懿;;石墨烯国际发展态势分析[J];科学观察;2010年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 成会明;;石墨烯的制备与应用探索[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
2 钱文;郝瑞;侯仰龙;;液相剥离制备高质量石墨烯及其功能化[A];中国化学会第27届学术年会第04分会场摘要集[C];2010年
3 张甲;胡平安;王振龙;李乐;;石墨烯制备技术与应用研究的最新进展[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第3分册)[C];2010年
4 赵东林;白利忠;谢卫刚;沈曾民;;石墨烯的制备及其微波吸收性能研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第7分册)[C];2010年
5 沈志刚;李金芝;易敏;;射流空化方法制备石墨烯研究[A];颗粒学最新进展研讨会——暨第十届全国颗粒制备与处理研讨会论文集[C];2011年
6 王冕;钱林茂;;石墨烯的微观摩擦行为研究[A];2011年全国青年摩擦学与表面工程学术会议论文集[C];2011年
7 赵福刚;李维实;;树枝状结构功能化石墨烯[A];2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2011年
8 吴孝松;;碳化硅表面的外延石墨烯[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
9 周震;;后石墨烯和无机石墨烯材料:计算与实验的结合[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年
10 周琳;周璐珊;李波;吴迪;彭海琳;刘忠范;;石墨烯光化学修饰及尺寸效应研究[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 姚耀;石墨烯研究取得系列进展[N];中国化工报;2009年
2 刘霞;韩用石墨烯制造出柔性透明触摸屏[N];科技日报;2010年
3 记者 王艳红;“解密”石墨烯到底有多奇妙[N];新华每日电讯;2010年
4 本报记者 李好宇 张芃捷(实习) 特约记者 李季;石墨烯未来应用的十大猜想[N];电脑报;2010年
5 证券时报记者 向南;石墨烯贵过黄金15倍 生产不易炒作先行[N];证券时报;2010年
6 本报特约撰稿 吴康迪;石墨烯 何以结缘诺贝尔奖[N];计算机世界;2010年
7 记者 谢荣 通讯员 夏永祥 陈海泉 张光杰;石墨烯在泰实现产业化[N];泰州日报;2010年
8 本报记者 纪爱玲;石墨烯:市场未启 炒作先行[N];中国高新技术产业导报;2011年
9 周科竞;再说石墨烯的是与非[N];北京商报;2011年
10 王小龙;新型石墨烯材料薄如纸硬如钢[N];科技日报;2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 吕敏;双层石墨烯的电和磁响应[D];中国科学技术大学;2011年
2 罗大超;化学修饰石墨烯的分离与评价[D];北京化工大学;2011年
3 唐秀之;氧化石墨烯表面功能化修饰[D];北京化工大学;2012年
4 王崇;石墨烯中缺陷修复机理的理论研究[D];吉林大学;2013年
5 盛凯旋;石墨烯组装体的制备及其电化学应用研究[D];清华大学;2013年
6 姜丽丽;石墨烯及其复合薄膜在电极材料中的研究[D];西南交通大学;2015年
7 姚成立;多级结构石墨烯/无机非金属复合材料的仿生合成及机理研究[D];安徽大学;2015年
8 伊丁;石墨烯吸附与自旋极化的第一性原理研究[D];山东大学;2015年
9 梁巍;基于石墨烯的氧还原电催化剂的理论计算研究[D];武汉大学;2014年
10 王义;石墨烯的模板导向制备及在电化学储能和肿瘤靶向诊疗方面的应用[D];复旦大学;2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 詹晓伟;碳化硅外延石墨烯以及分子动力学模拟研究[D];西安电子科技大学;2011年
2 王晨;石墨烯的微观结构及其对电化学性能的影响[D];北京化工大学;2011年
3 苗伟;石墨烯制备及其缺陷研究[D];西北大学;2011年
4 蔡宇凯;一种新型结构的石墨烯纳米器件的研究[D];南京邮电大学;2012年
5 金丽玲;功能化石墨烯的酶学效应研究[D];苏州大学;2012年
6 黄凌燕;石墨烯拉伸性能与尺度效应的研究[D];华南理工大学;2012年
7 刘汝盟;石墨烯热振动分析[D];南京航空航天大学;2012年
8 雷军;碳化硅上石墨烯的制备与表征[D];西安电子科技大学;2012年
9 于金海;石墨烯的非共价功能化修饰及载药系统研究[D];青岛科技大学;2012年
10 李晶;高分散性石墨烯的制备[D];上海交通大学;2013年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026