碳納米纖維-石墨烯薄膜的制備及其性能研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代科學事業(yè)的日益壯大，新型材料的出現(xiàn)為科學技術的發(fā)展提供了更多可能。在2004年Geim小組用微機械剝離法制備出單層石墨烯,開啟了石墨烯在世界范圍內的研究熱。石墨烯材料以其完美的雜化結構、極低的合成成本以及獨特的電子和機械性能，成為新型碳材料中的后起之秀。納米碳纖維作為一種碳纖維材料，具有納米尺度，除了具有高模量、高強度、高導電性等特點外，還具有大的表面積、結構緊湊等優(yōu)點。將碳納米纖維與石墨烯材料相結合，制備具有獨特電學和機械性能

2、的軟質薄膜材料，可應用于微帶天線、電池電極、傳感器等應用領域。本論文以碳納米纖維(CNF)/石墨烯薄膜為研究對象，開展了其制備及性能研究的相關工作，具體內容如下：
　　在第一部分工作中，運用改進的Hummers法氧化天然鱗片石墨，經反復多次的水洗、離心、超聲振蕩，制得pH值在6左右的氧化石墨烯溶液，隨后采用滴涂法制備了氧化石墨烯薄膜，再利用氫碘酸在常溫下對其進行還原，得到石墨烯薄膜。同時，利用原子力顯微鏡（AFM）、掃描電子顯微鏡

3、鏡（SEM）和X射線衍射技術（XRD）等對石墨烯片層結構和還原程度進行表征和分析。
　　在第二部分工作中，在氧化石墨烯溶液中添加不等量的碳納米纖維（CNF），得到摻雜有不同比例1％，3%，5%的CNF/氧化石墨烯溶液，而后采用磁力攪拌和超聲振蕩等手段，使碳納米纖維較均勻地分散于氧化石墨烯溶液中，并采用滴涂法制得碳納米纖維改性氧化石墨烯薄膜。用氫碘酸在常溫下還原石墨烯，CNF/氧化石墨烯薄膜轉變?yōu)镃NF/石墨烯薄膜。采用SEM觀察C

4、NF/石墨烯薄膜的表面形貌；并通過使用四探針方阻測試技術對薄膜的電學性能進行了測試和分析。
　　在第三部分工作中，為了更為深入的探究CNF的加入比例對石墨烯薄膜的作用影響，并優(yōu)選出電學和力學綜合性能較好的薄膜，增加了CNF的加入量至10%、25%和50%。同時，采用四探針方阻、纖維強伸度和SEM測試技術對CNF/石墨烯薄膜進行電學、力學性能和薄膜表面形態(tài)進行測試，最后擇優(yōu)選取出綜合性能較高的含有25%CNF的CNF/石墨烯薄膜材料

5、，為第四部分薄膜加載天線的研究做好了準備。
　　在第四部分工作中，采用上述質量分數(shù)為25%的CNF/石墨烯薄膜對同軸饋電微帶貼片天線的導電元進行阻抗加載研究。結果表明，加載1至6層后，天線的回波損耗從未加載時的-7.14dB分別降低到-11.57dB,-14.29dB,-18.55dB,-19.93dB，-14.87dB和-13.18dB，說明加載薄膜后天線的阻抗匹配得到改善，上述具體數(shù)據也表明，在加載4層CNF/石墨烯薄膜后，天

6、線的回波損耗最低，阻抗匹配最佳；另外，在加載薄膜后，天線的共振頻率從未加載的915MHz偏移到899MHz，這種微偏與實際加載的薄膜尺寸的精度等有關系。
　　綜上所述，本文主要從制備、改性和應用這三個方面探究了CNF/石墨烯薄膜及其性能研究。先是制備氧化石墨烯溶液，并借助滴涂法，經還原后制得石墨烯薄膜；其次，在此基礎上在氧化石墨烯溶液中摻雜不同比例的碳納米纖維以制得混合溶液，并制得CNF/石墨烯薄膜；最后，將力學及電學綜合性能優(yōu)良