石墨烯纖維的可控制備與應(yīng)用研究.pdf

1、石墨烯作為二維碳基納米材料，只有一個原子的厚度，具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)性能，基于石墨烯制備的一維、二維和三維材料在透明導(dǎo)電薄膜、儲能材料、催化劑載體、氣敏材料、單分子探測器等方面具有極為廣闊的應(yīng)用前景。其中石墨烯及其復(fù)合物的一維纖維材料，因其具有高強度、高導(dǎo)電、柔性可編織和簡單易加工的特點，適合于制備超輕質(zhì)導(dǎo)線、柔性可穿戴器件、智能織物等。目前多數(shù)報道的關(guān)于石墨烯纖維的研究主要著眼于提高纖維的斷裂強度，但是由于石墨烯纖維的脆性

2、斷裂，其拉伸應(yīng)變往往較低，其柔性也有待提高。本文所研究的具有獨特螺旋結(jié)構(gòu)的石墨烯纖維，能夠同時獲得高強度和高彈性的特征，有助于進(jìn)一步開發(fā)高性能的可拉伸、可穿戴器件。
　　本文采用改進(jìn)hummers法，運用硫酸-磷酸-高錳酸鉀體系制備了高純氧化石墨烯。利用流延法制備了柔性透明的氧化石墨烯薄膜，用不同還原方法對其進(jìn)行還原，并研究還原前后的形態(tài)和性能變化，發(fā)現(xiàn)經(jīng)45％的氫碘酸還原后，能最大程度的保持石墨烯薄膜在還原前的表面形貌。在聚四氟

3、乙烯基底上制備的大面積氧化石墨烯薄膜，經(jīng)自然干燥后，裁剪成不同寬度的條帶，并采用干法紡絲，借助于水汽調(diào)節(jié)氧化石墨烯薄膜的濕度，將條帶紡織成具有較長連續(xù)螺旋結(jié)構(gòu)的不同直徑的氧化石墨烯螺旋纖維，且纖維的螺旋結(jié)構(gòu)均勻、螺旋傾角一致、表面光滑，還具有柔性可拉伸的特點。將氧化石墨烯螺旋纖維經(jīng)氫碘酸還原后得到的導(dǎo)電石墨烯螺旋纖維，保持其螺旋結(jié)構(gòu)不變，且纖維表面光滑連續(xù)。石墨烯螺旋纖維具有較好的機械性能，其強度達(dá)12 MPa，最大斷裂應(yīng)變達(dá)60%，在

4、20%的拉伸循環(huán)下表現(xiàn)出良好彈性恢復(fù)性能。拉伸過程中電阻呈規(guī)律性變化，隨著應(yīng)變的增加，電阻呈線性減小。經(jīng)過多次循環(huán)后，這種變化規(guī)律依然穩(wěn)定。探索了石墨烯螺旋纖維做為可拉伸溫度傳感器和電抽吸的應(yīng)用研究。測試了纖維的電阻隨溫度的變化，隨著溫度的增加電阻減小，主要是由于石墨烯的半導(dǎo)體行為特征。發(fā)現(xiàn)在300℃的高溫和應(yīng)變范圍在0%~50%的不同拉伸應(yīng)變下，螺旋纖維顯示出穩(wěn)定的熱學(xué)性能，具有用作柔性熱敏器件的潛在價值。導(dǎo)電的石墨烯螺旋纖維內(nèi)部具有

5、軸向貫通微通道和石墨烯疏水的特點，由其制備的電抽吸具有良好的可控開關(guān)性能，激發(fā)的閾值電壓為-0.8V，理論計算和實際測試得到的通道尺寸一致，約為100 nm，對液體抽吸至飽和時，能吸收是自身重量6倍的水。
　　為進(jìn)一步提高石墨烯螺旋纖維的性能，本文提出了制備氧化石墨烯-碳納米管復(fù)合薄膜的新方法，不同于以往機械攪拌制備復(fù)合薄膜的方法，該方法能一步制備均勻交替疊加的氧化石墨烯-碳納米管復(fù)合薄膜?；谠搹?fù)合薄膜制備的氧化石墨烯-碳納米管

6、復(fù)合螺旋纖維在對水、乙醇和丙酮等液體的吸附和脫附過程中，能產(chǎn)生良好的致動效果，能拉起是自身重量約300倍的重物。經(jīng)氫碘酸還原后得到的石墨烯-碳納米管復(fù)合螺旋纖維的最大斷裂強度達(dá)135 MPa，最大斷裂應(yīng)變達(dá)130%，分別是純石墨烯螺旋纖維的10倍和2倍；其作為溫度傳感器，隨溫度變化的線性更好，響應(yīng)度更高，是純石墨烯螺旋纖維的7倍；利用編織方法，制備了基于該種復(fù)合螺旋纖維編織網(wǎng)的可拉伸、柔性可彎曲的超級電容器具有良好的電化學(xué)性能，其比電容