关于三维石墨烯基多功能材料可控制备与性能的分析

发布来源：发布时间：2018/04/18点击量：1760

关于三维石墨烯基多功能材料可控制备与性能的分析

高妮妮

（商洛学院，陕西 商洛 726000）

摘  要：基于新型材料具有的可控性，石墨烯材料在三维宏观构筑中普遍使用。分析了三维石墨烯基多功能材料的使用现状，发现很难调整其微观结构，宏观结构也未剪裁，力学性能有待稳定，所以，对材料可控制备和性能进行了分析，给出了优化设计的思路，实现了性能的优化。

关键词：三维石墨烯；基多功能材料；可控制备；可压缩性

中图分类号：X703               文献标识码：A    DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2018.07.088

    碳在地球上存在的历史悠久，与人们的日常生活直接相关，基于碳元素提取的石墨烯有特有的结构，这一结构会从光学、热学等角度体现出不同的性能。所以，根据石墨烯制作了多功能材料，并分析了材料的可控制备与性能。通过参数分析，给出了详细的分析结果。三维石墨烯基多功能材料有多个分类，包括气凝胶与其他高分子复合材料等，本文是以气凝胶为切入点展开讨论。

1  三维石墨烯基多功能材料的可控制备

对气凝胶可控制备的分析共有2点，即可控制备的具体操作和对结构表征的分析。

1.1  可控制备

完成这一材料的可控制备，采用的方法是制备出前驱体（LGO），石墨随着氧化反应的进行，内部含氧基团的数量随之增加，提升了前驱体的水溶性和化学性能的修饰性，避免因水溶性较低引起的内部团聚，便于观察其在水溶液中的反应。在前驱体内，会在已经形成的含氧基团的基础上加入辅助反应的催化剂，待两者反应后，局部位置会形成输水点，借由各辅助剂的作用，会在内部形成多维结构，以网状的形态存在。

具体工艺为：准备前驱体水溶液与诱导剂，按照比例混合，制作出使用的溶液，随后在混合溶液中加入缓冲剂，保证样品浓度达到要求。溶液做成后，放置在冰浴的环境中，超声30 min，待样品内部的组成全部分散均匀后，把溶液加入到特氟纶反应釜内，保持温度值为120 ℃，且样品密封，让样品充分反应，时间为6 h。反应中，诱导剂内的氨基与溶液内的含氧基团互为反应，在溶液内形成局部输水的区域，并在某些位置建立桥接。全部过程结束后，其会变为三维氧化石墨烯水凝胶黑色弹性体。这一物质内，三维网络结构的形成有3个阶段：①LGO的部分位置堆积，出现体积较小的絮状物体；②小絮状物体不断凝结，增加了絮状物体的体积，逐步形成松散的结构；③在内部现有的片层单元内，调整絮状物的排列方式，让其变得规则化，最后形成结构稳定的弹性体。为了避免在低温环境中出现材料的冻胀，需要去除诱导剂内所有杂质，待材料干燥前，先进行24 h的透析，然后放到温度为－80 ℃的冰箱内，放置24 h，然后在真空环境下干燥，制备出气凝胶。

1.2  结构表征

对气凝胶微观结构的描述中，会制作单层石墨烯片，用电子显微镜与衍射的方法观察，查看表面的褶皱以及形成的衍射斑。而实验人员用上述工艺制作出气凝胶，切片观察后得到的结果为：从单层片上可以看到明显的褶皱，也有六角衍射斑点，其厚度大约是0.8 mm。而用其他方式观察后，也会得到相应的特征点。

2  三维石墨烯基多功能材料的性能分析

对其性能的分析是根据可压缩性、电学、热性等方面进行的，具体分析如下。

2.1  可压缩性

对可压缩性的阐述是利用压缩与循环的测试，给出分析结果，压缩使用的方法是单轴压缩，循环是多周循环，借由这2点的分析可以发现，样品在力的作用下应力与应变之间的关系以及结构的稳定性等。测试的工具为力学测试系统，用特定的速度加载，当压力值达到95%后，样品从立体变为薄片，压力在结构内积存。当压力全部释放后，样品恢复为原样，没有任何损伤，这一点对应的特征是超弹性体特征，结构具有稳定的特点。根据分析过程可以绘制应力、应变的变化曲线，根据各段曲线对应的百分比，得出以下结论：①如果百分比低于20%，微观结构中，石墨烯片有微小的变形，结构基本稳定；②如果百分比在20%～65%，曲线的倾斜度增加，刚度逐渐弱化，应力的作用突出，样品有较大的形变，再恢复为平面，即刚度适当降低，弹性模量随之改变；③如果百分比在65%～95%，曲线的斜率进一步增加，刚度与弹性也随之增加，改变宏观结构。

2.2  电学特性

电学特性是材料的电导率，以及其具有的温阻效应。即对样品加热后，且温度上升为1 000℃后，溶液表面九成的含氧基团消失，石墨烯材料快速恢复，生成还原氧化石墨烯，其导电性也随之增加。另石墨烯内，多层之间间距的调整也缩短了电子传输势垒的高度，保持其有良好的导电性，并实现了导电性的优化。对其的细化分析是根据得到的数值、绘制电压、电流曲线，并分析曲线变化，且实验人员绘制该曲线后，得出其符合欧姆定律的内容，表示加热还原后，GA可输送电力，但因为石墨烯的还原取决于内部π电子的移动，所以，可通过计算电子的迁移率，调整还原的温度。

2.3  热性能

该材料的结构内有大量孔隙，且结构不易被破坏，与其他材料比较后，因为其他材料内部结构被破坏，减少了物体内烯的含量，导致材料热稳定性不足，耐火性有待提高，这一材料可有效解决这些问题，有良好的热导性。其详细分析为：用杆热传导系统测试，加入多个参考杆，选择真空的环境，加热热源，热源加热后，会在样品的上方设置温度边界，随着温度的下移，形成温度差，不同温度的热流分别穿过样品，经过参考杆后，流入冷源系统，形成整体的热传导温度场。这个温度场内，可根据每个位置参考杆的数值，画出温度分布图，最终分析整体的热流变化，最后的结果为导热系数具有可控性，材料内部的密度决定导热系数。

此外，气凝胶材料也有吸附有机溶液的性能，包括酒精、硅油等，其结论为：因为石墨烯气凝胶等系列材料有活跃的活性，可以吸收超过本身数倍的有机溶液，有良好的吸附性。

3  结束语

对三维石墨烯基多功能材料可控制备与性能的阐述是以气凝胶为切入点，分析了可控制备的过程，以及样品制备后的结构特征，而对性能的分析是从可压缩、热能渗透、吸附性等方面进行论述，为三维石墨烯基多功能材料的进一步研发提供了思路。

参考文献：

［1］刘红宇，杜西刚，潘炳力，等.聚乙烯亚胺交联三维石墨烯制备与吸附性能［J］.河南科技大学学报（自然科学版），2017，38（05）：96-100，9.

［2］徐丽，盛鹏，陈新，等.三维石墨烯纳米球的制备及其在锂离子电池中的应用［J］.无机材料学报，2016，31（09）：976-980.

〔编辑：张思楠〕

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本文已公开发表在《科技与创新》杂志2018年第7期