二維納米材料-聚合物柔性疊層膜的軟接觸摩擦制備技術(shù)研究.pdf

1、二維納米材料是二維層狀材料（石墨、六方氮化硼、二硫化鉬、二硫化鎢、氟化石墨等）在納米級厚度的薄片狀材料，具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械學(xué)方面的性能，其中，以聚合物為基底、二維納米材料為表面功能層的二維納米材料/聚合物柔性疊層膜更是兼具了良好的柔韌性，從而在柔性光電子學(xué)、柔性能源材料與器件、生命科學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　然而，目前在聚合物基底上制備二維納米材料所采用的常見方法存在下列不足之處：需要“轉(zhuǎn)移”環(huán)節(jié)而屬于“間接

2、”制備工藝、工藝較復(fù)雜且周期較長、一定程度的生化污染與較高的能耗、二維納米材料與聚合物基底結(jié)合性較弱等。
　　針對上述問題，本論文的研究目的是：設(shè)計(jì)新的制備方法，從而彌補(bǔ)目前制備二維納米材料/聚合物柔性疊層膜所采用的常見方法的主要不足，實(shí)現(xiàn)室溫下在聚合物基底上“直接”制備不同厚度的多種二維納米材料的目標(biāo)。
　　本論文基于二維層狀材料的自潤滑特性，首次將摩擦作為完備的制備工藝引入到二維納米材料/聚合物柔性疊層膜的制備中。通過選

3、擇摩擦路徑、設(shè)計(jì)和自制摩擦設(shè)備等環(huán)節(jié)，提出和設(shè)計(jì)了軟接觸摩擦法原型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在聚合物基底上“直接”制備多種二維納米片（厚度100納米至200納米，尺寸為數(shù)微米）的目標(biāo)。該原型技術(shù)制備的石墨納米片/聚合物柔性疊層膜的透光率為85.7％、表面方阻為97.7 kΩ/sq。
　　針對軟接觸摩擦法原型技術(shù)制備的二維納米片的厚度較大（大于100納米）、制備的柔性疊層膜的透明導(dǎo)電性能有限的不足，本論文發(fā)掘出摩擦過程中的剝離減薄效應(yīng)的技術(shù)演進(jìn)思

4、路。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展出軟接觸剝離摩擦法和普適軟接觸剝離摩擦法，分別以石墨塊和二維層狀材料粉末為原材料，實(shí)現(xiàn)了軟接觸摩擦法在聚合物基底上制備的二維納米材料的厚度從數(shù)百納米量級到二維納米微片范疇（厚度小于100納米，尺寸為數(shù)微米）的突破，完成了在聚合物基底上“直接”制備多種厚度小于100納米的二維納米微片的目標(biāo)。將軟接觸摩擦法制備的柔性透明導(dǎo)電膜的性能提高到透光率80.3％和表面方阻1.19 kΩ/sq。在作為柔性透明電熱膜使用時(shí)，與商業(yè)化

5、的ITO柔性透明電熱膜相比，石墨烯微片/聚合物柔性透明電熱膜表現(xiàn)出了其在耐彎曲老化方面的顯著優(yōu)勢。
　　為解決前述軟接觸摩擦法制備的二維納米材料的原子層數(shù)仍然大于10層、制備的柔性疊層膜的透明導(dǎo)電性能仍然有限、并且二硫化鉬和二硫化鎢的半導(dǎo)體能級變化等更豐富的光電性能無法發(fā)揮的問題，本論文發(fā)掘出進(jìn)一步的技術(shù)演進(jìn)思路：采用非常光滑的表面對砂紙表面的石墨片層進(jìn)行摩擦處理，并利用與石墨塊具有相似表面物理特性（低摩擦系數(shù)、較為光滑平整的表面

6、形貌）的聚四氟乙烯（PTFE）膜，分別提出和設(shè)計(jì)了鏡面摩擦工藝和普適鏡面摩擦工藝。在此基礎(chǔ)上，分別以石墨塊和二維層狀材料粉末為原材料，發(fā)展出軟接觸鏡面摩擦法和普適軟接觸鏡面摩擦法，實(shí)現(xiàn)了軟接觸摩擦法在聚合物基底上制備的二維納米材料的厚度從幾十納米量級到原子層量級的突破，完成了在聚合物基底上“直接”制備多種多層二維納米材料（僅含2至10層原子層，尺寸為數(shù)十微米）的目標(biāo)。進(jìn)一步提升和豐富了軟接觸摩擦法制備的柔性疊層膜的性能：（1）柔性透明導(dǎo)

7、電膜的表面方阻為1.2 kΩ/sq、可見光透光率為87.6％；（2）作為柔性透明電熱膜使用時(shí)，相比前述石墨烯微片/聚合物柔性透明電熱膜，在加熱功率相同的情況下，透光率提高了7.3％；（3）基于多層石墨烯柔性透明導(dǎo)電膜的阻變式透明拉力傳感器具有優(yōu)異的應(yīng)變系數(shù)（50.9）和極高的透光率（98.3％），顯示了與聚合物基底具有高結(jié)合性的多層石墨烯的應(yīng)用潛力；（4）對多層硫系二維納米材料柔性疊層膜的熒光發(fā)光光譜研究結(jié)果表明，它們具有作為柔性光致發(fā)

8、光材料的應(yīng)用潛力。
　　軟接觸摩擦法與目前通常采用的需要“轉(zhuǎn)移”環(huán)節(jié)的“間接”制備方法不同，它是一種“直接”制備方法，擁有其獨(dú)具特色的優(yōu)勢：室溫下的快速工藝流程、無生化廢棄物及污染物產(chǎn)生。并且，與“間接”制備方法在聚合物基底上制備的二維納米材料與聚合物基底之間的結(jié)合強(qiáng)度較弱不同，采用軟接觸摩擦法在聚合物基底上“直接”制備的二維納米材料與聚合物基底之間的結(jié)合性良好。
　　本論文的研究成果為二維納米材料/聚合物柔性疊層膜在光電子