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表面修饰石墨烯的制备及其对复合材料力学性能的影响

作　者: 戴静
导　师: 郎美东
学　校: 华东理工大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 石墨烯 表面修饰 电阻率 复合材料 力学性能
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


石墨烯作为一类新型2维碳纳米材料,是由sp2杂化碳原子构成六边形蜂窝状的晶格组成的,其厚度仅为一个原子。近年来,由于其不可思议的电学和力学性能等,引起了人们的广泛关注。人们致力于研究将其这些杰出的性能应用于工业上,例如电或热传导器。但是,想要扩大其应用,就需要获得高质量的单层或较少层数的石墨烯片层,并且这些石墨烯的片层可以稳定在不同的环境中。这几年,研究者们已经成功的实现了通过化学共价键修饰石墨烯,这为获得比非共价键更能稳定存在的表面修饰石墨烯提供了一条新的途径。本论文旨在提出一种新的策略来制备表面修饰的石墨烯,其是将石墨或是层数大于7的石墨烯用合适的官能团进行修饰,得到表面修饰的石墨或石墨烯,然后再在有机溶液中进行超声剥离,获得单层或较少层数的石墨烯。同时研究了表面修饰的石墨烯的结构,微观形貌等。最后,研究了石墨烯对复合材料的力学性能的影响。论文主要分为三部分：(1)吡啶基修饰的石墨烯可通过1,3-偶极环加成反应制得,其中的1,3偶极子由五氟苯甲醛和肌氨酸原位缩合生成。X射线光电子能谱(XPS)和热重分析(TGA)表征了修饰上的官能团的量；透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)证实了石墨烯剥离后的形貌；拉曼光谱(Raman)探索其被破坏的π电子结构。除外还研究了该表面修饰石墨烯的分散性,由于修饰上的官能团可起到“分子楔”的作用,促使溶剂分子进入石墨烯片层之间,故能使其更容易被剥离得到可稳定分散的单层或较少层数的石墨烯。(2)通过重氮化反应可以制备五氟苯基修饰的石墨烯(PFP-f-graphene)。通过XPS、TGA、TEM、SEM、AFM和Raman等手段表征了石墨烯的结构,形貌,缺陷等。然后,用PFP-f-graphene通过过滤法在氧化铝过滤膜上铺成石墨烯的薄膜,再转移到PET薄膜上,最后退火。通过测试发现在透光率为13-65%时,石墨烯的电阻率为0.047-1.48kΩ/sq。另外,该表面修饰的石墨烯其对位上的F原子可以与端基含-NH2的化合物发生亲核取代反应。因此,端基为-NH2的化合物可以修饰到该表面修饰的石墨烯上,从而达到调节石墨烯和溶剂之间的分散情况。(3)通过氧化石墨烯(GO)或PFP-f-graphene与PMMA溶液混合就可制备GO/PMMA和PFP-f-graphene/PMMA复合材料。然后对其形貌进行了表征,最后研究了石墨烯作为填充物对PMMA的力学性能的影响。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-28
  1.1 石墨烯概述  10-13
  1.2 石墨烯的制备  13-17
    1.2.1 机械剥离法  14
    1.2.2 晶体外延生长法  14
    1.2.3 化学热膨胀剥离法  14
    1.2.4 化学氧化还原法  14-15
    1.2.5 化学气相沉积法  15-16
    1.2.6 电化学法  16
    1.2.7 其他制备方法  16-17
  1.3 石墨烯的性能  17-18
  1.4 石墨烯的表征方法  18-21
  1.5 石墨烯的化学修饰  21-25
    1.5.1 石墨烯以及氧化石墨烯的边缘修饰  21-22
    1.5.2 石墨烯的表面修饰  22-25
  1.6 石墨烯的应用以及前景  25-27
  1.7 本课题的选题目的及主要研究内容  27
  1.8 本论文的创新点  27-28
第二章 化学辅助液相剥离法制备五氟苯甲醛表面修饰的石墨烯  28-40
  2.1 引言  28-29
  2.2 实验部分  29-31
    2.2.1 实验原料与试剂  29
    2.2.2 实验仪器与设备  29
    2.2.3 实验方法  29-31
  2.3 结果与讨论  31-39
    2.3.1 热重分析  31-32
    2.3.2 X射线光电子能谱的分析  32-34
    2.3.3 激光拉曼光谱的分析  34-36
    2.3.4 石墨烯表面形貌的分析  36-39
    2.3.5 石墨烯的分散性的研究  39
  2.4 本章小结  39-40
第三章 五氟苯胺表面修饰的石墨烯的制备以及其电学性能的研究  40-67
  3.1 引言  40-41
  3.2 实验部分  41-45
    3.2.1 实验原料与试剂  41
    3.2.2 实验仪器与设备  41
    3.2.3 实验方法  41-45
  3.3 结果与讨论  45-65
    3.3.1 石墨的选择以及反应条件的选择  45-48
    3.3.2 表面官能化的石墨烯的表征  48-63
    3.3.3 表面修饰其他化合物的石墨烯的表征  63-65
  3.4 本章小结  65-67
第四章 石墨烯与PMMA的复合材料的制备及其力学性能的研究  67-76
  4.1 引言  67-68
  4.2 实验部分  68-70
    4.2.1 实验原料与试剂  68
    4.2.2 实验仪器与设备  68
    4.2.3 实验方法  68-70
  4.3 结果与讨论  70-75
    4.3.1 氧化石墨烯以及表面官能化的石墨烯的形貌与其在PMMA中的分散情况  70-72
    4.3.2 GO/PMMA和PFP-f-graphene/PMMA复合薄膜的力学性能  72-74
    4.3.3 GO/PMMA和PFP-f-graphene/PMMA复合薄膜的断裂界面分析  74-75
  4.4 本章小结  75-76
第五章 全文总结  76-77
参考文献  77-85
致谢  85-86
硕士研究生期间发表的论文和专利汇总  86

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料 > 非金属复合材料
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