摘要: 石墨烯，一种由碳原子六角结构（蜂窝格子状）紧密排列而成的只有一个碳原子厚的二维片状晶体材料，自其被发现以来，已经在化学、物理和材料等领域引起了极其广泛的关注。而石墨烯特殊的纳米结构也决定了它会展示出非常突出的电学、力学、光学、热学... 展开 石墨烯，一种由碳原子六角结构（蜂窝格子状）紧密排列而成的只有一个碳原子厚的二维片状晶体材料，自其被发现以来，已经在化学、物理和材料等领域引起了极其广泛的关注。而石墨烯特殊的纳米结构也决定了它会展示出非常突出的电学、力学、光学、热学、化学等方面的性质，使其在很多实际应用领域都有很强大的应用潜力，尤其是在高性能复合材料和智能材料领域。因此，本论文从能够宏量制备的，具有很好的水溶性的氧化石墨烯为前躯体或纳米添加剂，制备了多种纳米基高分子复合材料，并对它们的结构和优异的性能进行表征；在此技术与理论基础上，我们又制备了以多功能性的石墨烯-高分子复合材料和石墨烯-无机纳米颗粒杂化纸材料为主体的智能材料，并对其结构和外力驱动形变性能进行研究和表征。主要研究内容如下： 1．氧化石墨烯增强聚乙烯醇复合材料。在这个部分工作中，我们首先利用具有很好水溶性的氧化石墨烯作为纳米增强添加剂，并选择同样具有很好水溶性的聚乙烯醇作为高分子基体材料来制备高性能复合材料。由于1）氧化石墨烯材料本身具有很优异的力学性能，2）氧化石墨烯在聚乙烯醇基体中有均匀的分散，3）氧化石墨烯与基体间有很强的氢键相互作用力，因此氧化石墨烯只需要极低的添加量就能对复合材料的机械性能有很大的提高，例如，当氧化石墨烯添加量仅为0.7wt%时，复合材料的拉伸强度就提高了76%，而杨氏模量提高了62%。此外，复合材料杨氏模量的实验值与氧化石墨烯在聚乙烯醇基体中处于平行薄膜表面的有序有方向性排列状态的复合材料的杨氏模量模拟值(Halpin-Tsai模型)很吻合，表明复合材料承受的外部负载确实能通过聚乙烯醇与氧化石墨烯间很强的氢键结合力有效地从基体材料转移到氧化石墨烯增强剂上。 2．石墨烯材料对复合材料电磁性能的有效提高。在这部分工作中，我们利用石墨烯作为导电添加剂，分别与两种常用的高分子基体材料复合制备成导电高分子材料，并对其结构和性能进行表征与研究。首先，我们利用三步法1）氧化石墨烯的预还原2）原位分散聚合合成复合材料3）复合材料的进一步高温焙烧还原，制备得到了突破界限值为0.52vol%的导电石墨烯-环氧树脂复合材料，并且我们还首次研究了该石墨烯复合材料的电磁屏蔽性能；由于具有优异的导电性，当石墨烯含量为15wt%时，复合材料的电磁破屏蔽性能超过20 aB(即99%的入射电磁波被屏蔽掉)。然后，我们又利用两步法1）原位分散聚合制备复合材料前驱分散液2）高分子高温固化和石墨烯高温焙烧还原同步进行的方法，制备了突破界限值仅为0.39vol%的石墨烯-聚酰亚胺复合材料；此外，除了导电性以外，石墨烯的加入对聚酰亚胺的力学性能也有一定的提高，如石墨烯含量为1wt%时，复合材料的拉伸强度提高了约30%。 3．基于石墨烯纳米复合材料的红外光驱动形变智能材料。在这部分工作中，我们合成了具有较为完整的sp2大兀共轭结构，并且在有机溶剂中具有好的分散性的磺化石墨烯，并创新性地利用这种石墨烯材料作为纳米尺寸的光吸收单元和能量转换单元与热塑性聚氨酯复合，制得具有红外光驱动形变性能的聚合物基纳米复合材料。当磺化石墨烯含量仅为1 wt%时，磺化石墨烯-聚氨酯复合材料能提起一个21.6g的重物，收缩约3.1cm的距离，产生0.21 N的收缩力，能量密度最高能达到0.40J/g。此外，磺化石墨烯的加入也极大的增强了复合材料的力学性能，如当含量仅为1 wt%时，复合材料在拉伸形变为100%时，杨氏模量和拉伸强度分别比纯聚氨酯提高了120%和75%。这也使得这种石墨烯-聚氨酯智能材料有更加广阔的应用空间。 4．基于石墨烯纸材料的电驱动形变智能材料。在这部分工作中，我们首先利用简单的溶液处理方法制备了独立式的石墨烯-四氧化三铁杂化纸。这种新颖的杂化纸材料除了保持了优良的导电性和力学性能外，还具有非常优异的柔性和容易调控的超顺磁性。然后，结合石墨烯-四氧化三铁杂化纸这些多功能性的特点，我们把它应用于磁控导电开关中；这种新颖的磁控导电开关显示出非常优异的循环性能，当经过1000000次（0.2Hz的频率下超过1390小时的测试）弯曲角度约为30°的“on-off’循环后，石墨烯-四氧化三铁杂化纸的性能基本没有出现任何下降。最后，把石墨烯-四氧化三铁杂化纸制备成电化学电致形变智能材料。这种杂化纸的显示出比纯的石墨烯纸更加优异的电致形变性能，当四氧化三铁含量为7.5 wt%时，杂化纸在-1 V的激发电压下的电致形变值能达到0.1%，比纯石墨烯纸在同样条件下测试得到的值高56%。通过理论计算预测，我们还发现单片完整的石墨烯或者由没有堆积的单层完整石墨烯片组成的石墨烯纸的最大理论形变值能达到1.2%。 收起