石墨烯纖維的可控制備與應用研究.pdf

1、石墨烯作為二維碳基納米材料，只有一個原子的厚度，具有優異的力學、電學、熱學和光學性能，基于石墨烯制備的一維、二維和三維材料在透明導電薄膜、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用前景。其中石墨烯及其復合物的一維纖維材料，因其具有高強度、高導電、柔性可編織和簡單易加工的特點，適合于制備超輕質導線、柔性可穿戴器件、智能織物等。目前多數報道的關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構的石墨烯纖維，能夠同時獲得高強度和高彈性的特征，有助于進一步開發高性能的可拉伸、可穿戴器件。
　　本文采用改進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行還原，并研究還原前后的形態和性能變化，發現經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，借助于水汽調節氧化石墨烯薄膜的濕度，將條帶紡織成具有較長連續螺旋結構的不同直徑的氧化石墨烯螺旋纖維，且纖維的螺旋結構均勻、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氫碘酸還原后得到的導電石墨烯螺旋纖維，保持其螺旋結構不變，且纖維表面光滑連續。石墨烯螺旋纖維具有較好的機械性能，其強度達12 MPa，最大斷裂應變達60%，在

4、20%的拉伸循環下表現出良好彈性恢復性能。拉伸過程中電阻呈規律性變化，隨著應變的增加，電阻呈線性減小。經過多次循環后，這種變化規律依然穩定。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體行為特征。發現在300℃的高溫和應變范圍在0%~50%的不同拉伸應變下，螺旋纖維顯示出穩定的熱學性能，具有用作柔性熱敏器件的潛在價值。導電的石墨烯螺旋纖維內部具有

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性能，激發的閾值電壓為-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-碳納米管復合薄膜的新方法，不同于以往機械攪拌制備復合薄膜的方法，該方法能一步制備均勻交替疊加的氧化石墨烯-碳納米管復合薄膜?；谠搹秃媳∧ぶ苽涞难趸?碳納米管

6、復合螺旋纖維在對水、乙醇和丙酮等液體的吸附和脫附過程中，能產生良好的致動效果，能拉起是自身重量約300倍的重物。經氫碘酸還原后得到的石墨烯-碳納米管復合螺旋纖維的最大斷裂強度達135 MPa，最大斷裂應變達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，制備了基于該種復合螺旋纖維編織網的可拉伸、柔性可彎曲的超級電容器具有良好的電化學性能，其比電容