超薄片层石墨和多层石墨烯的真空剥离法制备及微区分析

用真空剥离法,对钢铁冶炼炉渣中的蠕虫状石墨进行处理,所得样品经过TEM微区分析,证明是一类沿C轴堆垛的多层石墨片层,其中也包含有多层石墨烯。同时说明,采用人造石墨和真空剥离法,是一种制备超薄片层石墨和多层石墨烯的可行方法,进一步可以作为用天然或人造矿物来制造二维材料的前驱处理技术。

热循环对片层石墨/铝复合材料的强度和热导率的影响

采用粉末冶金法制备片层石墨增强Al基复合材料(50vol%Gf/6061Al),Gf与Al基体结合紧密,界面处无裂纹、孔洞等缺陷。复合材料在-50~120℃温度范围内分别循环10次、50次、100次和200次,研究不同的循环次数对材料组织和性能的影响。结果表明,循环不同次数时材料的密度没有明显的变化,但随着循环次数的增加,在热应力的作用下Gf发生破裂,材料的强度和热导率均有所下降,当循环次数达到100次时,性能下降速度最快,与未循环样品相比,抗弯强度降低27.4%,热导率下降11.5%。进一步增加循环次数,破碎的Gf和开裂的界面可以有效缓解冷热循环导致的热应力,Gf破坏程度减缓,当循环次数为200次时,与未循环样品相比抗弯强度降低32%,热导率下降13.1%,性能降低趋于平缓。

片层石墨尺寸对片层石墨/Al复合材料的强度和热导率的影响

采用粉末冶金法制备了名义尺寸为150、300、500 mm的片层石墨(graphite flakes,Gf)增强铝基(50%Gf/Al,体积分数)复合材料,得到密度均接近理论密度的致密复合材料坯锭。片层石墨与铝合金基体结合紧密,界面处无裂纹、孔洞等缺陷。片层石墨的(001)Gf基面与复合材料坯锭的圆周方向(坯锭的xy平面)基本平行,但受粉末冶金工艺的影响,较小片层石墨的(001)Gf基面与坯锭的xy平面略有偏差。随着片层石墨的尺寸增大,偏差逐渐减少。复合材料的强度随着片层石墨尺寸增加逐渐降低。150 mm片层石墨复合材料的弯曲强度为82 MPa,当片层石墨尺寸增至500 mm时,强度降低至39 MPa。片层石墨强度较低,裂纹容易沿片层石墨的层间扩展,随着片层石墨尺寸增大,这一现象更加明显,容易在断口中观察到片层石墨剥离的现象。复合材料xy平面的热导率随片层石墨尺寸增大而增加,最高可达604 W/(m·K),与尺寸较小的片层石墨相比提高63%。300、500 mm片层石墨复合材料的界面换热系数略低于理论值,但150 mm片层石墨复合材料的界面换热系数明显小于理论值。除了片层石墨的尺寸,其形状、分布和内部缺陷等对复合材料的热导率也有一定的影响。

石墨片层对有机相变材料导热性能的影响

通过将天然石墨氧化处理、微波膨胀和超声解离的方法制备出尺寸为5～10μm的石墨片层,并将其添加到有机相变基体中,制备出石墨片层/有机相变材料复合物;通过对复合材料导热系数的测试和导热机理的分析,证明该石墨片层可以作为优良的添加材料来改善有机相变材料低导热系数的缺陷。

纳米级石墨晶体层片力学性能的等效模型及分析

石墨晶体是由碳原子以sp2杂化轨道和邻近的三个碳原子形成共价键,在其平面内再构成网状层片结构。文中对基于原子键合力能关系的CCBE等效模型和经典的BEAM单元等效模型作了比较分析。其中CCBE包括两个节点,每个节点包含三个平移自由度。与经典BEAM单元相比,其两个节点均没有转动自由度。CCBE和BEAM单元的各个参数可以通过石墨晶体的相关实验获得。通过对石墨晶体层片的拉伸、剪切等效模型的柔度(刚度)系数计算分析,并与实验数据相对比,验证了CCBE等效建模方法的正确性和合理性。该等效建模方法为研究石墨的微观结构、性能等提供了一种有效的数值模拟方法。

氧化石墨烯纳米片层增强水泥基复合材料的巴西圆盘劈裂试验研究

采用巴西圆盘劈裂试验研究了氧化石墨烯纳米片层对水泥基复合材料力学行为的影响。制备了普通水泥砂浆和含0.03%(按水泥质量分数计算)氧化石墨烯水泥砂浆两种材料,并分别制成了中心直裂纹和不同倾角裂纹形式的巴西圆盘试件。对其进行了准静态加载下的劈裂试验,给出了试件的间接抗拉强度和纯I型、纯II型、I-II混合型断裂韧性。研究结果表明:氧化石墨烯纳米片层对水泥砂浆具有明显的增强作用,添加掺量为0.03%氧化石墨烯水泥砂浆其抗压强度提高了34.12%,间接抗拉强度提高了18.96%;纯I型断裂韧性提高了20.09%,纯II型断裂韧性提高了12.07%,I-II混合型断裂韧性提高了12.27%。

氧化石墨烯纳米片层对水泥基复合材料微观结构和性能的影响

通过对石墨进行氧化和超声波分散制备了氧化石墨烯纳米片层(GON)分散液,研究了GON对水泥复合材料微观结构和性能的影响。结果表明,GON能够调控水泥水化产物形成规整多面体状晶体及促使水泥基复合材料形成具有花状形貌的规整结构,使水泥基复合材料的抗压强度及抗折强度有明显的提高。研究认为,GON对水泥水化产物的形成有模板效应,能够促使水泥水化产物成为规整的多面体状晶体,这些多面体状晶体通过交织形成了规整有序的微观结构,研究结果对于提高水泥基复合材料强度和耐久性具有积极意义。

石墨烯需在制备与应用领域持续突破

在第二十五届中国国际高新技术成果交易会上,全球首个产业化应用的二维石墨烯材料亮相。石墨烯是一种二维材料,是目前世界上已知最薄、最坚硬、导电性和导热性最好的材料。从结构上来说,它是由碳原子以六元环组构而成的二维平面,是碳的一种新型二维纳米结构形式。石墨烯可以被看作是一种石墨薄层,1mm的石墨片层有大约300万层石墨烯,石墨烯厚度仅有0.335nm。石墨烯还是目前可见的透明度最高的材料,玻璃的透光率为87%,而石墨烯薄膜透光率可达97.7%。

石墨层折叠特性的原子力显微镜研究

使用原子力显微镜的探针对石墨的双原子厚片层进行了撕裂和折叠实验,结果表明:石墨片层只沿特定的方向撕裂和折叠;被折叠的片层在折叠轴处会形成一个未封闭的碳纳米管,即石墨片层的sp^2键结构在折叠轴处会形成类sp^3的结构缺陷;被折叠的片层可以完全展平到原来的位置或被继续撕成形状相同但尺寸较大的三角形．这说明在外力作用下sp^2键结构和类sp^3键结构可以自由地相互转化而不被损坏,由此可以解释碳纳米管惊人的可弯性．

石墨双层在外力作用下的变形特性

利用原子力显微镜的探针将石墨的双原子厚片层进行撕裂操作,发现石墨片层只沿特定的方向撕裂和折叠;进一步还发现被撕开的片层在探针的作用力下有可能被压缩或拉伸,被压缩的片层会恢复到原来的形状,但被拉伸的片层却不能恢复到原来的形状.

拉伸作用对单层石墨片电子能隙的影响

基于紧束缚方法,在考虑最近邻相互作用的情况下,研究了拉伸锯齿型边和扶手型边单层石墨的能带结构,得到了两种类型单层石墨片的π电子能带及带隙与拉力的解析关系式.通过数值计算能够发现:拉力不但使单层石墨产生带隙,而且带隙随着拉力的增大而变宽,并且锯齿型比扶手型的带隙更易变宽.

准粒子谱函数对单层石墨片最小电导率的影响

在有效质量近似下,利用久保(Kubo)公式计算了单层石墨片的最小电导率.结果发现最小电导率的大小依赖于准粒子谱函数的函数形式:如果准粒子谱函数取洛伦兹分布,得到最小电导率为4e2/πh;如果准粒子谱函数满足高斯分布,则最小电导率为2e2/h.

边缘氢化石墨烯片层结构和光谱性质的密度泛函理论研究

以并3-6苯环为氢化石墨烯片层模型,采用量子化学密度泛函理论方法(DFT)在B3LYP/6-31G(d,p)水平上进行了几何结构全优化,讨论了分子结构、能量、前线分子轨道等性质的变化规律。在得到化合物基态稳定构型的基础上,运用含时密度泛函理论(TD-DFT)计算了电子吸收光谱的性质。计算结果显示边缘氢化石墨烯片层均为平面结构,线型扶手椅型结构能量最低,结构最稳定。随着石墨烯片层环数的增加HOMO轨道能量增加,LUMO轨道能量降低,能隙能量降低,最大吸收波长明显红移。

氧化石墨烯纳米片层增强水泥基复合材料力学性能研究

氧化石墨烯纳米片(GONPs)具有独特的物理性质,使其在水泥基体中成为有效的增强材料。通过试验,研究不同GONPs掺量对水泥基复合材料力学性能、孔径分布及微观结构特征的影响。GONPs以水泥质量分数为0%,0.01%,0.02%,0.03%,0.04%,0.05%制备水泥基复合材料,对经28 d养护的试块进行了抗压强度和间接抗拉强度测试、热重分析(TGA)与X射线衍射分析;利用氮气吸附技术研究试样断裂表面的孔径分布并通过扫描电镜(SEM)观察其微观结构。研究结果表明:通过将GONPs掺入水泥基复合材料中,最高可使其抗压强度和间接抗拉强度分别提高13.1%和41.3%。GONPs与普通硅酸盐水泥(OPC)的结合显著降低了水泥砂浆的孔隙数量,使其微观结构得到显著改善,同时会在水泥砂浆内部形成大量排列规整的片状及花瓣状晶体,提高了水泥基复合材料的力学性能。

PAN基碳纤维制备过程中热处理时间对结构影响的研究

热处理时间是碳纤维制备过程中的一个重要参数,实际生产中,无法实现单纯改变某一温度点的处理时间,调整运行速度会使得整个过程中每个温度点的热处理时间都会随之变化,最终性能是各个温度点共同作用的结果。通过DSC、FTIR、XRD、Raman、元素分析等测试手段分析了热处理时间延长对各阶段结构和最终性能的影响。实验结果表明:热处理时间延长会大大提高低温热处理阶段的热处理程度,均质性更好,此阶段环化反应等特征反应进行的更为充分;经900℃处理后乱层石墨微晶开始初步形成,热处理时间延长有利于形成更大的石墨片层,在此基础上进行1 400℃处理,得到的最终碳纤维样品中,热处理时间越长其石墨化度越高、石墨片层间距越大、片层大和堆叠厚度低,直接导致了样品模量的提高。

复掺功能填料机敏混凝土的压阻响应

研究了碳纤维(CF)、镀铜钢纤维(SF)、多壁碳纳米管(MWCNTs)以及多层石墨烯纳米片(NGPs)等功能填料掺量对机敏混凝土28d抗压强度、28d电阻率及不同加载幅值与加载速率条件下压阻响应的影响。结果表明,CF与SF是影响机敏混凝土压阻性能的关键因素,掺入1.2%CF与4%SF时机敏混凝土的压阻响应尤为显著;当MWCNTs掺量大于0.5%时,机敏混凝土的电阻率与灵敏度均有所降低。与对比试样相比,掺0.03%NGPs机敏混凝土力学强度提高了27%,电阻率降低了18%,灵敏度提高了5.66%。

碳纳米卷轴的制备及研究进展

由于碳纳米卷轴在储能、催化、纳米医药载体等领域具有潜在的巨大应用价值,从而引起人们的广泛关注.本文综述了碳纳米卷轴制备方法及其应用的研究进展,并对碳纳米卷轴的进一步深入研究和发展作了展望.

石墨/石蜡复合相变储热材料的热性能研究

膨胀石墨(EG)在超声作用下解离成微米级石墨片层(MSGF),并加入到石蜡基体中制备得到石墨/石蜡复合相变储热材料,并对复合相变材料的结构和热性能进行表征。实验结果表明,该石墨/石蜡复合相变储热材料储热速率加快,化学性质稳定。随MSGF质量分数的增加,固态及液态复合材料的导热系数均呈非线性显著增长,相变温度及相变潜热略有降低。

热压烧结Gr/6061Al复合材料的组织与性能

采用热压烧结法制备了片层石墨(Gr)含量为1%~25%(体积分数,下同)的Gr/6061Al复合材料,并采用纳米铝粉包覆片层石墨的混粉工艺提高片层石墨在铝基体粉末中的分散均匀性。所制备的复合材料中,片层石墨均匀分散在铝基体中,界面结合良好,未发现界面反应产物,通过透射电镜观察到少层石墨烯的存在。1%~15%Gr含量的Gr/6061Al复合材料的致密度均高于90%;复合材料的致密度,硬度和摩擦系数随着片层石墨含量的增加都逐渐降低;随着烧结温度的提高,10%Gr含量的Gr/6061Al复合材料的致密度和硬度均得到提高。与1%和25%Gr含量的Gr/6061Al复合材料相比,其他Gr含量的复合材料的磨损率均较高。