石墨烯-聚酰亞胺復(fù)合薄膜的制備及誘導石墨化研究.pdf

1、石墨烯基復(fù)合材料具有高效的導電性、較好的透光性和極高的力學強度等杰出性能。目前存在的主要問題有：一是高效快速地制備石墨烯仍然存在技術(shù)難題，二是石墨烯與基體之間的相容性亟待改善，三是石墨烯的結(jié)構(gòu)在復(fù)合過程中容易發(fā)生變化，而導致性能降低。就采用聚合物基體而言，石墨烯經(jīng)過有效的化學修飾可以獲得良好的相容性，但會損害石墨烯的導電性和光學性能。因此如何同時解決上述問題，仍然是石墨烯基復(fù)合材料面臨的重要難題。
　　本研究首先通過改進的Humm

2、ers法制備了氧化石墨，并通過超聲分散法獲得了氧化石墨烯在水和N，N-二甲基乙酰胺溶劑中的懸浮液。分別采用低溫熱還原和溶劑熱還原的方法制備了還原石墨烯。通過透射電子顯微鏡和原子力顯微鏡對其形貌進行了表征，結(jié)果表明通過以上方法均制備出了氧化石墨烯和還原石墨烯。利用紫外-可見光譜等對其結(jié)構(gòu)進行了表征，結(jié)果表明以上兩種還原方法，均能對氧化石墨烯進行有效還原，且大小和厚度可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。其中溶劑熱還原氧化石墨烯在180℃的條件下處理24小

3、時獲得的還原石墨烯結(jié)構(gòu)比較完整，可以進一步作為聚酰亞胺基復(fù)合材料的增強材料。
　　采用氣-液相界面組裝方法對氧化石墨烯組裝的過程和工藝參數(shù)進行半定量研究。改進了常規(guī)的熱還原方法，對其進行低溫熱處理還原。通過XPS和紅外光譜分析，表明氧化石墨烯經(jīng)過還原，其含氧官能團的比例急劇下降，轉(zhuǎn)變?yōu)闊徇€原石墨烯薄膜。通過XRD和拉曼光譜進行分析，結(jié)果表明經(jīng)過還原處理的氧化石墨烯薄膜的結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，這從結(jié)構(gòu)角度說明低溫熱還原處理能夠獲得石墨

4、烯薄膜。進一步的研究表明，該自組裝取向的石墨烯膜有許多突出的物理性能和力學性能，通過對還原先后的結(jié)構(gòu)變化、光學性能和微觀力學性能的分析，結(jié)果表明經(jīng)過熱還原的石墨烯自組裝膜形貌缺陷少，層間排布能夠較好地保持。特別是在可見光區(qū)域的透過率獲得了很大的提高，在近紅外處的透過率仍然保持接近70％。微觀力學性能研究表明，其彈性模量和薄膜硬度分別有8.7%和67.6%的提高，分別達到了76.18 GP a和6.89 GPa。
　　通過溶劑熱方法

5、進行還原，獲得高純度的石墨烯穩(wěn)定分散液。在此基礎(chǔ)上，研究了原位聚合法制備的石墨烯/聚酰亞胺薄膜的制備方法，并對其耐熱性能、力學性能、導電/介電性能和光學性能進行分析。結(jié)果顯示，石墨烯在聚酰亞胺中得到了很好的分散效果，以上性能均有大幅度的提高。石墨烯含量超過0.5%時，導電性能快速提高，由絕緣體的純聚酰亞胺開始轉(zhuǎn)變成導電性良好的石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合材料。石墨烯含量為3%時，耐熱溫度和玻璃溫度提高約10℃，力學性能提高了56%，斷裂延伸率則

6、提高到19%。光學吸收作用明顯，根據(jù)透射光譜的分析，其透光性能小于0.5%，吸光率在可見與近紅外區(qū)域超過99%。
　　最后對石墨烯在聚酰亞胺碳化、石墨化過程中的促進作用和增韌效果進行了深入研究。首先采用同步熱分析方法，對石墨烯在聚酰亞胺碳化過程中的促進作用進行了機理分析，結(jié)果表明石墨烯的加入，能夠促進聚酰亞胺在高溫條件下的碳化進程。通過 XRD和紅外光譜，研究了石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合薄膜在碳化過程中的結(jié)構(gòu)演變過程，結(jié)果顯示發(fā)現(xiàn)石墨烯

7、不僅能夠提高聚酰亞胺的碳化產(chǎn)率，同時也能降低其碳化溫度。對石墨化產(chǎn)物的XRD和拉曼光譜分析表明，石墨烯的加入能夠有效降低聚酰亞胺石墨化過程的中的石墨化溫度，同時提高石墨化膜的石墨化度和增加晶粒尺寸，起到很好的誘導石墨化作用?？紤]到石墨烯成本較高，提出采用碳化硅作為石墨化促進劑來降低成本，并對其石墨化機理也進行了分析。四電極法測試其導電性的結(jié)果表明，石墨烯含量為3%時，石墨化膜的表面電阻較純聚酰亞胺石墨化膜有明顯的降低。在此基礎(chǔ)上，選擇碳