炭黑-石墨烯杂化材料增强天然橡胶复合材料的性能研究

利用炭黑颗粒掺杂石墨烯得到炭黑-石墨烯纳米杂化粒子,经乳液复合制备炭黑-石墨烯/天然橡胶母胶,然后通过密炼制得炭黑-石墨烯/天然橡胶纳米复合材料,研究掺杂体系内炭黑用量对炭黑-石墨烯/天然橡胶复合材料的微观形貌、力学性能、压缩生热性能和耐磨性能的影响。结果表明:炭黑颗粒吸附在石墨烯表面,有效抑制了石墨烯的堆叠,从而减少了大片径多层石墨烯的形成,且随着炭黑用量的增大,石墨烯的裸露区域逐渐减少;当掺杂体系中炭黑/石墨烯用量比为10/1时,石墨烯在橡胶中的分散状态得到明显提升,复合材料的宏观力学性能、压缩生热性能和耐磨性能均明显改善。

介电型石墨烯在P波段电磁参数的反演计算

石墨烯由于其低密度质轻、损耗机制丰富等优势,在介电吸波材料领域被广泛应用。吸波材料的设计及应用都必须基于其在工作频段的电磁参数。本文基于穷举法计算了不同厚度的石墨烯材料实现P波段高性能吸波所需要的输入阻抗、介电常数以及频散关系,结果表明:较高的介电常数实部值和较低的介电常数虚部值才能更好地吸收P波段电磁波,尤其是需要低介电损耗性能。0.5~1 GHz频段范围内,介电常数虚实部差异缩小、实现高性能吸波的介电常数可行域可扩展至2~4个,且计算得到的反射率有效带宽可达0.52 GHz,通过合理调控厚度以及介电常数可实现高性能吸波。而在0.3~1 GHz频段范围内,介电常数实部是虚部的20倍,反射率曲线表现为吸收带宽仅为0.1 GHz的尖吸收峰,对虚实部需求各不相同且苛刻,这是该频段介电常数调控的难点,需要引入磁性材料来提升阻抗匹配以及电磁损耗能力。

三维木头海绵-石墨烯/环氧树脂复合材料的制备及性能

采用天然巴沙木作为原材料,进行选择性刻蚀,得到三维层状结构的木头海绵。以木头海绵为模板,在负载一定比例的还原氧化石墨烯(rGO)与石墨烯纳米片(GNP)后,通过真空浸渍的方法与环氧树脂复合并固化,制备得到石墨烯-木头海绵(G-WS)/环氧树脂复合材料。结果表明:采用真空浸渍的方法,能够成功使氧化石墨烯(GO)在水热还原的同时,带动GNP负载到木头海绵表面,同时GO被还原成为rGO,经过与环氧树脂复合后,在环氧树脂内部,G-WS仍然保持良好的三维结构,这种取向分层结构使复合材料具有导热的各向异性,三维连通的结构也为良好的热导率奠定了基础。当填料质量分数为1.45%时,沿取向结构方向的热导率能够达到1.59 W·m^(-1)·K^(-1),相比于纯环氧树脂而言,热导率提升率高达457%。同时由于木头海绵内部层状的结构,赋予了G-WS良好的压缩回弹性能,能够实现80%压缩以及40%形变压缩,循环100次但不发生明显形变。

石墨烯导热材料研究进展

石墨烯作为一种具有超高热导率的二维纳米材料,在导热领域有着广阔的应用前景。本文综述了石墨烯导热材料的研究进展,介绍了石墨烯本征热导率及其层数、缺陷、边缘情况等对热导率的影响,分析了石墨烯纤维的研究现状及存在的问题,讨论了各类石墨烯导热薄膜(纯石墨烯薄膜/石墨烯杂化薄膜/石墨烯聚合物复合薄膜)热导率的影响因素,归纳总结了各类三维石墨烯导热材料(无规分散石墨烯三维复合材料和特定结构石墨烯三维复合材料)的结构、性能与研究现状,最后指出了目前几种导热材料研究存在的问题并展望了石墨烯未来导热领域的发展方向,尤其是在LED照明、智能手机等高功率、高度集成系统中,石墨烯导热材料有着良好的发展前景。

氧化石墨烯的化学还原方法与机理研究进展

石墨烯物理性能优异,自被发现以来迅速引起了国内外研究者的广泛关注。石墨烯的批量生产是实现石墨烯材料应用的前提,由于氧化石墨烯具有丰富的含氧官能团,便于化学改性,生产成本低、可规模化生产,化学还原氧化石墨烯成为目前大批量制备石墨烯材料最常用的方法之一。至今已经有数十种化学还原氧化石墨烯的方法被报道,还原效果千差万别,还原机理也尚未定论。本文梳理了氧化石墨烯的主要化学还原方法,从关键反应基团的角度进行了归纳总结,论述了它们的优缺点;分析了多种氧化石墨烯的还原机理,提出氧化石墨烯化学还原的本质是羟基还原同时形成碳碳双键的过程。

等离子体增强化学气相沉积可控制备石墨烯研究进展

石墨烯具有超薄的结构、优异的光学和电学等性能,在晶体管、太阳能电池、超级电容器和传感器等领域具有极大的应用潜能。为更好地发展实际应用,高质量石墨烯的可控制备研究尤为重要。等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术具有低温和原位生长的优势,成为未来石墨烯制备方面较具潜力的发展方向之一。本文综述了PECVD技术制备石墨烯的发展,重点讨论了PECVD过程中等离子体能量、生长温度、生长基底和生长压力对石墨烯形核及生长的作用,概述了PECVD制备石墨烯的形核及聚结机制、刻蚀和边缘生长竞争两种不同机制,并指出PECVD技术制备石墨烯面临的挑战及发展。在未来的研究中,需突破对石墨烯形核及生长的控制,实现低温原位的大尺寸、高质量石墨烯薄膜的可控制备,为PECVD基石墨烯器件在电子等领域的应用奠定基础。

石墨烯在水泥基材料中的作用机制研究综述

石墨烯具有优异的力学强度、阻隔性以及超大比表面积,通过对其进行物理或化学分散处理,能够制备高性能石墨烯水泥基复合材料。石墨烯通过调控水泥水化反应、改善孔隙结构以及界面结合等方式,可以改善水泥基材料的力学强度和耐久性能,在水泥基复合材料领域展现出巨大的应用潜力。本文综述了石墨烯水泥基复合材料的研究进展,总结了石墨烯在水泥基复合材料中的分散工艺和应用效果。同时,讨论了石墨烯的作用机理,并展望了石墨烯水泥基复合材料的发展趋势。

石墨烯与导电聚合物PSS∶PEDOT共包覆对LiCoO_(2)材料高电压电化学性能的影响

采用易于规模化的湿法包覆工艺成功制备了石墨烯纳米片与聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)∶聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT∶PSS)共包覆的LiCoO_(2)正极材料(GP-LCO),使用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)及电化学测试方法研究包覆前后材料的晶体结构、微观形貌及电化学性质。结果表明∶均匀分散的石墨烯纳米片(1%,质量分数,下同)与PEDOT∶PSS(2%)在LiCoO_(2)颗粒表面形成均一的包覆层;电化学测试结果表明,石墨烯纳米片与PEDOT:PSS所形成的复合包覆层不仅提升了材料的电化学反应速率,还改善了电化学反应的可逆性;经过表面包覆的GP-LCO添加2%Super P导电剂所制备的电极,在2.5~4.5 V(vs.Li+/Li)的电压范围内,0.1 C倍率下首次放电比容量173.9 mAh/g,10 C倍率下仍能表现出118.0 mAh/g的放电容量,循环性能和倍率性能均优于未包覆的LiCoO_(2)材料(LCO)。

乙二胺交联还原氧化石墨烯的制备及吸波性能研究

使用水热法制备还原氧化石墨烯吸波剂,利用乙二胺作为氧化石墨烯的交联剂与还原剂,探索乙二胺添加量及热处理对吸波剂性能的影响。结果表明,乙二胺具有一定的还原能力,能够将氧化石墨烯部分还原并实现交联,提高了吸波剂的介电常数。由于氮原子的掺杂会引入杂原子与缺陷,吸波剂的导电性和介电常数会随乙二胺添加量的增加而降低。当乙二胺添加量为0.5 mL时,吸波剂具有较高的电磁参数。此外,热处理能够进一步提高还原氧化石墨烯吸波剂的还原程度,从而优化吸波性能。经250℃热处理的吸波剂在10 mm厚度下可实现-42.73 dB的吸收峰值。

碳纳米材料在天然橡胶中的分散及补强研究

对不同碳纳米材料进行结构分析,通过机械混炼将不同用量的碳纳米材料添加到天然橡胶(NR)中,研究碳纳米材料在NR中的分散状态及对胶料硫化特性和物理性能的影响。结果表明:随着碳纳米材料用量的增大,胶料的Fmax-FL增大,t90缩短;当碳纳米材料用量小于6份时,可以在橡胶基体中均匀分散;在低应变下,4种碳纳米材料对NR的补强作用从大到小的顺序为多壁碳纳米管、物理法石墨烯、等离子体法石墨烯、炭黑N234,但在高应变下多壁碳纳米管会影响NR的结晶自补强性能。

Mn2O3/Fe2O3/少层石墨烯/硫锂硫电池正极材料的制备及其电化学性能

采用熔盐法、层间催化剥离法、退火工艺及熔化扩散法制备出Mn2O3/Fe2O3/少层石墨烯/硫复合材料作为锂硫电池正极材料。高导电少层石墨烯构成三维导电网络,为电极反应过程中电子传输提供通道,有利于提升锂硫电池的比容量。金属氧化物颗粒均匀分布在少层石墨烯表面,对多硫化物具有强烈化学吸附作用,能够有效抑制多硫化物的溶解和迁移效应,有利于增强锂硫电池循环稳定性。结果表明,Mn2O3/Fe2O3/FLG30/S电极显示出高比容量和优异的循环性能。0.1 C倍率下,其初始容量高达886.3 mAh·g^-1,100圈循环后容量保持率高达88.1%。

石墨烯理化参数对低含量石墨烯填充聚四氟乙烯摩擦磨损的影响

研究石墨烯平均片径、片层厚度、比表面积、碳氧比等理化参数对其填充改性聚四氟乙烯复合材料摩擦磨损性能的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、物理吸附仪、X射线光电子能谱仪(XPS)分别表征4种石墨烯的表面形貌及平均片径、片层厚度、比表面积、碳氧比,采用可控环境摩擦磨损仪测试复合材料的摩擦因数,采用三维白光干涉形貌仪测试复合材料的体积磨损率。结果表明:填充量相同时,石墨烯的碳氧比是影响复合材料摩擦因数的主要因素,石墨烯的比表面积是影响复合材料体积磨损率的主要因素;当石墨烯填充量为1%(质量分数,下同)时,碳氧比为45.64、碳含量为97.66%的石墨烯可以使聚四氟乙烯复合材料摩擦因数降低27.97%;比表面积为466.78 m2/g的石墨烯可以使聚四氟乙烯复合材料体积磨损率降低76.46%。

拉曼光谱在石墨烯聚合物纳米复合材料中的应用

拉曼光谱不仅能够用于确定石墨烯的物理性质、缺陷程度及层数等,也逐渐发展成为研究石墨烯聚合物复合材料重要的分析表征工具。石墨烯拉曼特征峰可用于对复合材料中石墨烯进行二维及三维的拉曼成像,从而获得石墨烯的分散状态。石墨烯拉曼特征峰的位移能够灵敏地反映石墨烯的形变程度,从而定量地评估复合材料中石墨烯与聚合物分子之间的相互作用、计算石墨烯的有效杨氏模量以及确定石墨烯的空间取向。本文综述了拉曼光谱在石墨烯聚合物复合材料领域的应用研究,介绍了拉曼光谱技术在石墨烯聚合物复合材料领域的最新研究进展,如石墨烯复合材料的微观变形机理、石墨烯与聚合物基体之间的应力转移效率、影响材料性能的关键性因素等。石墨烯聚合物复合材料的拉曼光谱研究目前仍以模型化复合材料为主要研究对象,而且聚合物基体的荧光效应也会在一定程度上限制拉曼光谱的应用。针对于此,可适当提高激发光的功率而产生一些非线性效应,以大幅增大拉曼光强度,从而使拉曼光谱技术在石墨烯聚合物复合材料领域中得到更广泛的应用。

PC/铜负载氧化石墨烯复合材料的力学及抗菌性能

利用喷雾干燥法得到了铜负载氧化石墨烯(Cu@GO),并通过高速混合、挤出、注塑工艺成功制备了聚碳酸酯(PC)/Cu@GO抗菌复合材料。观察了Cu@GO抗菌颗粒在PC中的分散情况,探究了不同Cu@GO添加量下PC复合材料的力学及抗菌性能。结果表明,Cu@GO在PC基体中分散均匀,没有出现明显团聚。添加适量的Cu@GO能够提高PC的拉伸强度、弯曲强度和压缩强度。Cu@GO有效地提升了PC的抗菌性,当Cu@GO质量分数为0.1%时,PC对大肠杆菌和金黄葡萄球菌的抗菌率分别为99.8%和99.9%,当其质量分数大于0.2%时,PC对两种细菌的抗菌率均超过99.9%。

新型低温真空法制备高品质石墨烯

以往制备石墨烯大多采用强酸氧化剂、1000℃以上的还原温度以及昂贵的金属催化剂中的一种或多种,造成低效率、高能耗和重污染等问题。本工作提供一种真空辅助制备高品质石墨烯的新思路,以无水AlCl3和FeCl3作为共插层剂制备出"手风琴"状的1阶石墨层间化合物(AlCl3-FeCl3-GICs);在180℃相对较低温度下真空处理1阶AlCl3-FeCl3-GICs,低沸点AlCl3受热汽化后将石墨片层进一步撑开,得到"蠕虫"状的膨胀石墨;利用液相剥离法,将膨胀石墨在有机溶剂中超声剥离得到高品质石墨烯。膨胀石墨的制备过程没有采用强氧化剂,且在无水无氧的环境中进行,反应温度控制在180℃以内,整体制备条件相对温和且环保。膨胀石墨相邻片层间的范德华力作用极其微弱,易于后续剥离成石墨烯。采用液相法制备石墨烯,能最大可能避免石墨烯晶格结构的破坏。用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)观察样品的微观形貌,用X射线粉末衍射(XRD)仪、射线光电子能谱(XPS)仪和拉曼光谱仪等表征样品的微观结构,结果表明:制备的石墨烯缺陷度极低,sp2晶格结构仍然保持高度的规整性,石墨烯层数大多在3层以内。

石墨烯的液相剥离制备及在磷酸铁锂正极中的应用

以天然鳞片石墨为原料,通过氧化插层、高温膨胀制备石墨烯前驱体,经高压均质液相剥离,得到高结晶度、少缺陷且表面带有纳米孔洞的石墨烯。采用SEM,TEM,AFM,XRD,Raman观察材料的组织结构。将材料制成扣式电池,测试电化学性能。测试结果表明,制备的石墨烯具有典型的褶皱弯曲结构特征,厚度为4层,结晶度高且表面带有纳米孔洞。作为正极导电添加剂用于磷酸铁锂电极,可构建高效导电导离子网络,显著提升电极倍率性能。具体表现为:10C放电倍率,放电比容量达90 mAh/g;5 C充放循环200周次,容量保持率100%,放电比容量仍达90 mAh/g。石墨烯制备方法简单,可实现工程化批量生产。

喷雾干燥法制备石墨烯包覆富锂锰基材料Li1.22Mn0.52Ni0.26O2及其电化学性质

本工作采用喷雾干燥法制备了小片径石墨烯包覆的Li1.22Mn0.52Ni0.26O2富锂锰基材料(G-LNMO),系统研究了包覆前后材料的晶体结构、微观形貌及电化学性质。扫描电镜(SEM)及透射电镜(TEM)结果表明,该方法实现了石墨烯对富锂锰基材料(LNMO)的均匀包覆。充放电测试表明,石墨烯包覆后将LNMO材料在0.1 C和1 C倍率下的放电容量分别从199.8 mA·h/g和87.1 mA·h/g提升至220.2 mA·h/g和117.6 mA·h/g。在0.5 C倍率下经过100次循环后,G-LNMO材料的容量保持率为88%,相比于LNMO材料提升了17%。电池充放电曲线及电化学阻抗分析显示,石墨烯包覆能够显著提升电极动力学,降低电池在充放电过程中的极化,减缓电极/电解液界面副反应的发生,进而提升材料的循环稳定性和倍率性能。

航空用石墨烯改性铝电缆导体研制进展

飞机电气化、信息化程度的不断提高,对航空电缆提出了更高的要求,常规铝导体的性能不能满足新型航空电缆对轻质、高强、高导电性能的需求。石墨烯具备极高的强度和导电率,是理想的高强高导改性材料。首先对比了现有电工铝和电工铜在力学性能和导电率上的差距;随后讨论了石墨烯优异的力学和电学性能;最后综述了石墨烯在改善铝基体力学性能和电学性能方面的研究进展。结果表明,采用粉末冶金、连铸连轧等制备工艺,石墨烯能有效提高铝基体的拉伸强度,同时有望保持延伸率不降低,但也会使导电率降低0.5%~4%;只有实现石墨烯在铝基体中的连续分布,才能充分发挥出石墨烯高导电率的优势,提高铝基体的电学性能。采用粉末冶金和连铸连轧等工艺手段,牺牲少量导电率,通过石墨烯大幅提高铝导体的力学性能,从而满足航空电缆的相关需求,将具备广阔的应用前景。

基于氢碘酸还原氧化石墨烯分析

使用改良后的Hummers法制备出了共轭结构并未遭到大规模破坏的氧化石墨烯,并应用氢碘酸、乙酸氢碘酸、乙醇氢碘酸三种体系对氧化石墨烯进行还原,结果表明,三者均可以实现氧化石墨烯的还原,且乙酸氢碘酸体系的还原更加高效温和。同时,使用含溴修饰剂展开了边缘修饰,引入了溴原子。

石墨烯/锂金属复合材料的制备和电化学性能

对于高能量密度锂金属电池体系,安全、稳定的锂负极材料是关键。采用微波还原、热还原和机械剥离方法制备了3种具有不同形貌结构的石墨烯,并通过压制和叠层工艺,制备出石墨烯/锂金属复合材料。通过扫描电子显微镜(SEM)、拉曼(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)和N_(2)吸脱附曲线分析了不同石墨烯材料的形貌、组成、结构以及石墨烯/锂金属复合材料的形貌。同时采用Li||Li对称电池和LiFeO_(4)全电池,评价了石墨烯/锂金属复合材料作为负极的电化学性能。结果表明,石墨烯/锂金属复合材料具有层状结构,在微波还原石墨烯(MRGO)、热还原石墨烯(RGO)和机械剥离石墨烯(EG)中,MRGO最适用于改性金属锂,叠层3次得到的4MRGO/3Li复合材料具有最优的电化学性能。基于4MRGO/3Li的Li||Li对称电池在9.9 mV左右的极化电压下稳定循环1200圈,相对于纯锂金属,极化电压降低10.6 mV,安全性和稳定性大大提升。以4MRGO/3Li复合材料为负极的LiFeO_(4)全电池稳定循环800圈后,放电容量保持为156 mAh/g。