石墨烯基钨/环氧树脂复合薄膜的设计、制备及其背衬吸声研究

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目前制备服务于超声换能器的具有合适阻抗、高衰减和高强度的背衬材料受到广泛关注。通常背衬材料由聚合物基体如环氧树脂、聚氨酯和无机金属填充粉体如钨、铁、铜、锰、铝制备而成。环氧树脂由于其较好的热稳定性、抗蚀性和机械性能被广泛的应用于背衬材料制备领域。传统方法制备的薄膜的吸声性能相对较差，为了提高环氧树脂复合物的衰减值，通常对环氧树脂进行表面修饰以增加对声波能量的耗散。无机填充物和高聚物基体间由于化学属性的巨大差异，使得两者的界面能量很高，通常导致薄膜结构产生类如气泡和空穴等结构缺陷，会影响薄膜的声学性能。氧化石墨烯是由sp2和sp3杂化的六圆环碳原子堆积而成，面内有羟基和环氧基，边缘有羰基和羧基。期望利用氧化石墨烯的两亲性和柔韧性，以及氧化石墨烯与环氧树脂之间的相互作用来促进钨颗粒在环氧树脂基体中的分散。
　　本文设计了钨/氧化石墨烯/环氧树脂的层层组装结构，有效地解决了基体团聚分散的问题，并优化出钨的最佳填充量为60 wt.％。其中氧化石墨烯充当能量转换器，利用其高热导率及声热效应快速将声波耗散，氧化石墨烯的最佳填充量为3.5 wt.%。而0.1 wt.%的外层环氧树脂的作用是防止氧化石墨烯片层从钨球表面剥落，并保证组装体结构的独立性和完整性。薄膜的阻抗在5-6 MRayl，属于中阻抗范围，最佳衰减值为22 dB/cm·MHz。进一步改进薄膜的制备工艺，设计多级组装体结构钨/环氧树脂/氧化石墨烯/环氧树脂复合薄膜，内层环氧树脂充当缓冲层的作用，有利于氧化石墨烯固定在钨球表面，其最佳含量为3.5 wt.%。制备的薄膜具有很好的柔韧性，光谱表征证明氧化石墨烯的羟基和羧基官能团与环氧树脂的官能团残基之间存在氢键相互作用，而更紧密的包覆结构使得薄膜的衰减值提高到36.58±0.2 dB/cm·MHz。制备出一种高性能的基于CVD三维石墨烯作为支撑骨架的钨和环氧树脂复合吸声薄膜，利用三维石墨烯的超高导热和导电性能增强薄膜的吸声性能。优化薄膜的制备条件，在乙醇稀释液为1mL、钨粉粒径为20μm、骨架结构为去除镍的泡沫石墨烯及钨粉含量为80 wt.%时，得到最佳薄膜的阻抗值为11.8±0.1 MRayl，声衰减为38.86±1.88 dB/cm·MHz。利用离心法辅助制备紧密堆积的三维石墨烯基钨/环氧树脂复合薄膜，得到带有条带环氧树脂包覆的钨、环氧树脂球状物，与石墨烯骨架紧密堆积形成夹心结构。改变固化条件，分别得到多孔薄膜和致密薄膜。对比离心法制备的氧化石墨烯基钨/环氧树脂复合薄膜，证明超高的吸声性能来源于三维石墨烯特殊的骨架结构。最佳的阻抗薄膜在80 wt.%41μm钨粉处达到13.05±0.11 MRayl，声衰减达到110.15±1.23 dB/cm·MHz。

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作者
刘晶晶;
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作者单位

哈尔滨工业大学;

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授予单位哈尔滨工业大学;
学科物理化学
授予学位硕士
导师姓名胡平安;
年度 2015
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类薄膜的生长、结构和外延;薄膜的性质;
关键词
复合薄膜; 三维石墨烯; 薄膜结构; 吸声性能;

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