多功能石墨烯/聚酰亚胺纳米复合海绵的制备及其应用研究

摘要

石墨烯在力学、电学、光学及热学等领域所展现出的优异性能，使其能够作为纳米尺度的构筑单元来实现三维宏观体材料的制备。与此同时，三维石墨烯海绵所展现出的超低密度、多尺度的孔道结构及良好的导电性等特点，引起了科研工作者的广泛关注。但目前报道的三维石墨烯海绵力学韧性并不理想，在发生应变时表现出明显的塑性形变或发生破损坍塌，并且所制备的石墨烯海绵功能较为单一，这也限制了三维石墨烯海绵材料的进一步应用。因此，如何构筑具有良好力学性能的三维石墨烯海绵，并赋予其多功能复合性能仍需要科研工作者不断的探索。本论文通过引入水溶性聚酰亚胺，有效地提升了石墨烯海绵的力学柔韧性，分别设计与构筑了可作为应变传感器的三维石墨烯-聚酰亚胺复合海绵，高度定向石墨烯-聚酰亚胺复合隔热海绵及具有中空微球二级结构的石墨烯-聚酰亚胺复合隔热海绵，并分别对其应变传感性能和隔热性能进行测试分析，以探索其在传感器领域和隔热保温领域潜在的应用前景。
　　将水溶性聚酰亚胺引入至氧化石墨烯体系中，通过冷冻干燥技术及后续热处理，成功实现了低密度、优异力学柔韧性的石墨烯-聚酰亚胺复合海绵的制备，并将其应用于应变传感器领域。石墨烯纳米片与聚酰亚胺聚合物单元间的协同作用，赋予了复合海绵良好的导电性及优异的力学柔韧性，在经受不同应变时（如压缩、弯曲、拉伸和扭转），其电阻变化率能够迅速给出响应。复合海绵具有良好的耐疲劳性能，经过2000次循环压缩，其最大应力仍可达到初始状态的90%，同时只有3%的残余应变。此外，石墨烯复合海绵成功实现了拉伸性能测试，这在冷冻干燥法制备的石墨烯海绵材料中鲜有报道。其拉伸杨氏模量为1.738 MPa，最大屈服值为157.3 kPa，并伴随着较大的拉伸应变（15.6%），测量结果为目前相关报道的最大值。石墨烯-聚酰亚胺复合海绵经过2000次循环压缩后，其电阻变化率保持恒定，展现出优异的力电敏感性和力电稳定性，因此能够作为低密度、超弹性多功能应变传感器得到进一步的应用。
　　改变制备方法，通过冷冻铸模法成功构筑高度定向石墨烯-聚酰亚胺复合隔热海绵，并研究石墨烯含量对其力学性能，隔热保温性能的影响。随着石墨烯含量的逐渐增加，石墨烯-聚酰亚胺复合海绵微观结构定向性趋于明显。高度各向异性的微观结构也赋予了石墨烯-聚酰亚胺复合海绵不同的机械性能和隔热性能。其中轴向方向压缩最大应力高于径向方向最大应力（16.2 vs8.6 kPa，ε=50%），并且随着石墨烯引入量的增加，轴向、径向方向最大应力都呈现降低趋势。隔热性能方面，随着石墨烯引入量的逐渐增加，轴向方向上热导率逐渐升高（由0.026 W?m-1?k-1升至0.038 W?m-1?k-1），而径向方向热导率则逐渐降低（由0.021 W?m-1?k-1降至0.012 W?m-1?k-1），证明了高定向结构对石墨烯-聚酰亚胺复合海绵热学性能和力学性能产生各向异性的影响。通过建立各向异性微观结构与热导率的基本关系，分析并阐述石墨烯-聚酰亚胺复合海绵的隔热机制。
　　基于上述研究成果，在保留石墨烯-聚酰亚胺复合海绵高度各向异性微观结构的前提下，将中空微球二级结构引入至复合海绵体系中，制备得到具有中空微球结构的石墨烯-聚酰亚胺复合隔热海绵，以实现其径向隔热性能的突破。对于空心微球结构的制备，本文利用官能化的聚苯乙烯微球作为可去除模板，通过高温处理实现石墨烯包覆的中空微球二级结构的构筑。中空球结构的成功引入有效的阻碍了复合隔热海绵径向方向的热传导，实现了复合隔热海绵隔热性能的突破，其径向热导率最低可达到0.009 W?m-1?k-1，此结果在已报到的隔热材料中处于领先地位。结合复合海绵优异的疏水特性，能够在寒冷环境下防止结霜并具有优异保温性能。

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究目的与意义

1.2石墨烯宏观体构筑的研究进展

1.3三维石墨烯宏观体的性能

1.4三维石墨烯海绵的应用

1.5本文主要研究内容

第2章 实验材料及实验方法

2.1 引言

2.2实验原料及实验设备

2.3石墨烯-聚酰亚胺纳米复合材料的制备方法

2.4石墨烯-聚酰亚胺纳米复合海绵的表征

2.5石墨烯-聚酰亚胺纳米复合海绵性能表征

第3章 各向同性石墨烯-聚酰亚胺复合海绵的制备及应变传感性能研究

3.1 引言

3.2 石墨烯-聚酰亚胺纳米复合海绵的设计

3.3 石墨烯-聚酰亚胺纳米复合海绵的表征

3.4 石墨烯-聚酰亚胺纳米复合海绵的力学性能研究

3.5 石墨烯-聚酰亚胺纳米复合海绵的应变传感器性能研究

3.6 本章小结

第4章 高定向石墨烯-聚酰亚胺复合海绵的制备及其力、热性能研究

4.1 引言

4.2 高定向石墨烯-聚酰亚胺复合海绵的设计

4.3高定向石墨烯-聚酰亚胺复合海绵的表征

4.4高定向石墨烯-聚酰亚胺复合海绵的力学性能研究

4.5高定向石墨烯-聚酰亚胺复合海绵的隔热性能

4.6高定向石墨烯-聚酰亚胺复合海绵的隔热机理分析

4.7本章小结

第5章 石墨烯空心球对石墨烯-聚酰亚胺复合海绵热学性能影响

5.1 引言

5.2含有中空微球结构的石墨烯-聚酰亚胺复合隔热海绵的设计

5.3含有中空微球结构的石墨烯-聚酰亚胺复合隔热海绵的表征

5.4 含有中空微球结构的石墨烯-聚酰亚胺复合海绵隔热性能表征

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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