导电石墨烯织物与石墨烯微管的制备与性能研究

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石墨烯,作为首次发现的二维纳米材料,从2004年发现以来获得人们持续地关注和研究。由于在力学、电学、热学、光学等方面具有十分优异的性能,使其在材料学、微纳加工、电子器件、能源、生物医学等众多领域具有巨大的应用价值,被认为是一种未来革命性的材料。然而,由于制备技术的限制,石墨烯样品的尺寸一般较小,限制了其在实际生活中的大规模应用。其中将微观尺寸的石墨烯薄片组装成宏观材料是解决当前问题的有效途径,如一维的石墨烯纤维、二维的石墨烯纸/薄膜、三维的石墨烯组装体等。通过这一方法,使组装成的宏观材料获得一定的石墨烯特性,而制得的宏观材料其各项性能往往与制备方法有密切的联系。其中,静电喷雾沉积技术由于其操作简单、材料利用率高、可大规模生产等优点成为一种较好地材料制备方法。本论文主要介绍了通过静电喷雾沉积技术分别制备出石墨烯织物和中空石墨烯纤维两种宏观材料,这两种宏观材料既承继了石墨烯优异的导电性能,还具有较好的柔性,为石墨烯柔性宏观材料的制备与应用拓宽了新的方法与思路。为此,主要开展了以下两项工作:第三章着重介绍了一种通过静电喷雾沉积技术制备的柔性石墨烯织物复合材料,经过简单地加装电极后,即可制成两种方向上的石墨烯拉力传感器和不同层数的压力传感器。其中,制得的拉力传感器其电阻变化与拉力变化呈负相关,这与大多数传感器呈正相关特性恰好相反,使其即使在大范围的拉力下依然能保持较高的灵敏度。我们对拉力传感器与压力传感器的传感性能都进行了深入的研究与表征。其中拉力传感器其GF因子最高可达153.5,拉伸范围为0-40%、具有很好的可恢复性与可靠性,压力传感器其GF因子最高可达716.8 kPa-1,探测范围为0-14 kPa,响应迅速、具有较高的可重复性与稳定性。最后我们分别将这两类传感器固定到人体的不同部位,通过测试发现两类传感器可以分别实时探测到人体的运动状态与生命体征,显示了其在可穿戴电子器件与柔性传感器等方面具有一定的应用价值与发展潜力。第四章着重介绍了一种通过静电喷雾沉积技术制备的柔性中空石墨烯纤维。相比于中空石墨烯纤维的其他制备方法,该方法操作简单、模板移除率高,所制得的中空石墨烯纤维具有多通道结构,比表面积更大,并可用于负载功能化材料。我们通过拉曼测试与XPS测试对不同还原程度的石墨烯纤维进行了表征与分析,通过PPMS对不同温度下不同还原程度的石墨烯纤维的导电性进行了表征与分析。最后,我们对其应用方面进行了测试。因其具有较好的柔性与导电性,我们将其作为柔性导线接入电路中成功地点亮了LED小灯泡;因其具有较高的比表面积,我们将其负载上功能性材料二氧化钛,并将其应用于光电测试中展示了良好的光电响应特性。
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