石墨烯及羟基化碳纳米管复合材料的研究

摘要

纳米材料具有众多的优异特性使其成为了最有发展前途的新型材料,但仍然无法回避由于特有的尺寸效应而使得其在树脂基体中分散不够均匀,容易引起纳米材料在树脂基体内部发生团聚效应,从而在很大程度上影响了纳米材料的性能。尽管目前已经出现了多种方式来解决纳米材料的团聚性问题,如表面酸碱处理、添加分散剂、改性基体等,但所有这些方法都是考虑到从材料本身进行改进,而且理论和实验证明这些方法并不能很好的解决纳米材料的分散性问题,为此有人提出从结构上面进行优化改进,先将纳米材料经过一定处理后制备成一层薄膜,即我们通常称之为的纳米纸。再以此纳米纸为增强相,制备纳米复合材料,最终克服了纳米材料的团聚性问题。
　　石墨烯以其优异的电学、磁学、热学和力学性能成为了科研工作者的研究热点,它是目前世界上已知的人工制备得到的最薄的物质。本文通过氧化还原法制备得到一些少层石墨烯,并利用石墨烯制备得到纳米纸(nanopaper),然后以纳米纸为增强相,以环氧树脂为基体制备得到石墨烯纳米纸复合材料,最后对制备得到的纳米纸及其复合材料进行一系列性能表征与测试分析。
　　1、利用氧化还原法制备出来的石墨烯通过原子力纤维可以看到它的截面厚度大概在3nm左右,通常我们认为单层石墨烯的厚度在1nm左右,也就是说通过此种氧化还原法制备出来的石墨烯厚度大概在3层左右。
　　2、添加石墨烯后纳米纸复合材料的最大损耗率为99.9％,吸波峰值达42dB。
　　3、石墨烯纳米纸的导电能力强于羟基化碳纳米管纳米纸。
　　4、石墨烯纳米纸复合材料的力学性能要弱于羟基化碳纳米管纳米纸复合材料。
　　5、石墨烯纳米纸复合材料的热学性能强于羟基化碳纳米管纳米纸复合材料。
　　由于碳纳米管在微观上表现为片层卷曲形状,使得其具有比较独特的成键结构,最终导致碳纳米管表现为优异的性能。包括力学、电学、磁学还有热稳定性等方面。虽然碳纳米管具有众多的优异性能,但同时也存在一个重要缺陷,即是在树脂和水中的溶解度较低,为了克服这个问题,科研工作者们开始研究用酸化处理碳纳米管,使得碳纳米管的表面含有亲水的官能团,在本文中,我们选择利用有机酸处理的羟基化碳纳米管作为研究对象,羟基化碳纳米管具有碳纳米管所有的优异的性能,同时还能与树脂和水很好的相溶,从而可以更加容易的制备出性能稳定并且均匀的纳米纸,对我们后续制备纳米纸复合材料具有重要意义。本文研究的是羟基化碳纳米管与碳纳米纤维纳米纸的制备及性能表征与测试分析,然后将纳米纸与环氧树脂混合,制备纳米纸增强树脂复合材料,最后对复合材料的性能进行表征和分析。

目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1研究背景及意义

1.2文献综述

1.2.1石墨烯的研究背景和意义

1.2.2碳纳米纤维的研究背景和意义

1.2.3碳纳米管研究现状

1.2.4纳米复合材料研究现状

1.3本文的主要研究内容

第2章实验材料与测试方法

2.1本文研究方案

2.2主要实验用品及测试仪器

2.2.1主要实验用品

2.2.2主要测试仪器

2.3测试方法介绍

2.3.1拉曼光谱测试

2.3.2热失重分析测试

2.3.3静力学性能测试

2.3.4电阻率的测试

2.3.5吸波性能测试

2.3.6DSC性能测试

2.3.7红外光谱分析测试

第3章石墨烯/碳纳米纤维纳米纸及其复合材料的研究

3.1引言

3.2石墨烯的合成及其性能表征

3.2.1石墨烯的合成

3.2.2石墨烯的性能表征

3.3石墨烯/碳纳米纤维纳米纸及其复合材料的制备

3.3.1纳米纸的制备

3.3.2纳米纸/环氧树脂复合材料的制备

3.4.1纳米纸的微观形貌表征

3.4.2纳米纸的电学性能分析

3.4.3纳米纸的红外光谱分析

3.4.4纳米纸的拉曼光谱分析

3.5纳米纸/环氧树脂复合材料的性能测试和分析

3.5.1复合材料的热稳定性分析

3.5.2复合材料的DSC分析

3.5.3复合材料的动态热机械分析

3.5.4复合材料的的三点弯曲测试分析

3.5.5复合材料的的电磁波吸收测试分析

3.6本章小结

第4章羟基化碳纳米管/碳纳米纤维纳米纸及其复合材料的研究

4.1引言

4.2羟基化碳纳米管/碳纳米纤维纳米纸及其复合材料的制备

4.2.1羟基化碳纳米管/碳纳米纤维纳米纸的制备

4.2.2纳米纸/环氧树脂复合材料的制备

4.3羟基化碳纳米管/碳纳米纤维纳米纸的性能表征

4.3.1纳米纸的微观形貌表征

4.3.2纳米纸的电学性能分析

4.3.3纳米纸的原子力显微镜

4.3.4纳米纸的红外光谱分析

4.4纳米纸/环氧树脂复合材料的性能测试和分析

4.4.1复合材料的DSC分析

4.4.2复合材料的动态热机械分析

4.4.3复合材料的的三点弯曲测试分析

4.4.4复合材料的电磁波吸收测试

4.5本章小节

结论

参考文献

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明

致谢