關于三維石墨烯基多功能材料可控制備與性能的分析

高妮妮

（商洛學院，陜西 商洛 726000）

碳在地球上存在的歷史悠久，與人們的日常生活直接相關，基于碳元素提取的石墨烯有特有的結構，這一結構會從光學、熱學等角度體現出不同的性能。所以，根據石墨烯制作了多功能材料，并分析了材料的可控制備與性能。通過參數分析，給出了詳細的分析結果。三維石墨烯基多功能材料有多個分類，包括氣凝膠與其他高分子復合材料等，本文是以氣凝膠為切入點展開討論。

1 三維石墨烯基多功能材料的可控制備

對氣凝膠可控制備的分析共有2點，即可控制備的具體操作和對結構表征的分析。

1.1 可控制備

完成這一材料的可控制備，采用的方法是制備出前驅體（LGO），石墨隨著氧化反應的進行，內部含氧基團的數量隨之增加，提升了前驅體的水溶性和化學性能的修飾性，避免因水溶性較低引起的內部團聚，便于觀察其在水溶液中的反應。在前驅體內，會在已經形成的含氧基團的基礎上加入輔助反應的催化劑，待兩者反應后，局部位置會形成輸水點，借由各輔助劑的作用，會在內部形成多維結構，以網狀的形態存在。

具體工藝為：準備前驅體水溶液與誘導劑，按照比例混合，制作出使用的溶液，隨后在混合溶液中加入緩沖劑，保證樣品濃度達到要求。溶液做成后，放置在冰浴的環境中，超聲30 min，待樣品內部的組成全部分散均勻后，把溶液加入到特氟綸反應釜內，保持溫度值為120℃，且樣品密封，讓樣品充分反應，時間為6 h。反應中，誘導劑內的氨基與溶液內的含氧基團互為反應，在溶液內形成局部輸水的區域，并在某些位置建立橋接。全部過程結束后，其會變為三維氧化石墨烯水凝膠黑色彈性體。這一物質內，三維網絡結構的形成有3個階段：①LGO的部分位置堆積，出現體積較小的絮狀物體；②小絮狀物體不斷凝結，增加了絮狀物體的體積，逐步形成松散的結構；③在內部現有的片層單元內，調整絮狀物的排列方式，讓其變得規則化，最后形成結構穩定的彈性體。為了避免在低溫環境中出現材料的凍脹，需要去除誘導劑內所有雜質，待材料干燥前，先進行24 h的透析，然后放到溫度為－80℃的冰箱內，放置24 h，然后在真空環境下干燥，制備出氣凝膠。

1.2 結構表征

對氣凝膠微觀結構的描述中，會制作單層石墨烯片，用電子顯微鏡與衍射的方法觀察，查看表面的褶皺以及形成的衍射斑。而實驗人員用上述工藝制作出氣凝膠，切片觀察后得到的結果為：從單層片上可以看到明顯的褶皺，也有六角衍射斑點，其厚度大約是0.8 mm。而用其他方式觀察后，也會得到相應的特征點。

2 三維石墨烯基多功能材料的性能分析

對其性能的分析是根據可壓縮性、電學、熱性等方面進行的，具體分析如下。

2.1 可壓縮性

對可壓縮性的闡述是利用壓縮與循環的測試，給出分析結果，壓縮使用的方法是單軸壓縮，循環是多周循環，借由這2點的分析可以發現，樣品在力的作用下應力與應變之間的關系以及結構的穩定性等。測試的工具為力學測試系統，用特定的速度加載，當壓力值達到95%后，樣品從立體變為薄片，壓力在結構內積存。當壓力全部釋放后，樣品恢復為原樣，沒有任何損傷，這一點對應的特征是超彈性體特征，結構具有穩定的特點。根據分析過程可以繪制應力、應變的變化曲線，根據各段曲線對應的百分比，得出以下結論：①如果百分比低于20%，微觀結構中，石墨烯片有微小的變形，結構基本穩定；②如果百分比在20%～65%，曲線的傾斜度增加，剛度逐漸弱化，應力的作用突出，樣品有較大的形變，再恢復為平面，即剛度適當降低，彈性模量隨之改變；③如果百分比在65%～95%，曲線的斜率進一步增加，剛度與彈性也隨之增加，改變宏觀結構。

2.2 電學特性

電學特性是材料的電導率，以及其具有的溫阻效應。即對樣品加熱后，且溫度上升為1 000℃后，溶液表面九成的含氧基團消失，石墨烯材料快速恢復，生成還原氧化石墨烯，其導電性也隨之增加。另石墨烯內，多層之間間距的調整也縮短了電子傳輸勢壘的高度，保持其有良好的導電性，并實現了導電性的優化。對其的細化分析是根據得到的數值、繪制電壓、電流曲線，并分析曲線變化，且實驗人員繪制該曲線后，得出其符合歐姆定律的內容，表示加熱還原后，GA可輸送電力，但因為石墨烯的還原取決于內部π電子的移動，所以，可通過計算電子的遷移率，調整還原的溫度。

2.3 熱性能

該材料的結構內有大量孔隙，且結構不易被破壞，與其他材料比較后，因為其他材料內部結構被破壞，減少了物體內烯的含量，導致材料熱穩定性不足，耐火性有待提高，這一材料可有效解決這些問題，有良好的熱導性。其詳細分析為：用桿熱傳導系統測試，加入多個參考桿，選擇真空的環境，加熱熱源，熱源加熱后，會在樣品的上方設置溫度邊界，隨著溫度的下移，形成溫度差，不同溫度的熱流分別穿過樣品，經過參考桿后，流入冷源系統，形成整體的熱傳導溫度場。這個溫度場內，可根據每個位置參考桿的數值，畫出溫度分布圖，最終分析整體的熱流變化，最后的結果為導熱系數具有可控性，材料內部的密度決定導熱系數。

此外，氣凝膠材料也有吸附有機溶液的性能，包括酒精、硅油等，其結論為：因為石墨烯氣凝膠等系列材料有活躍的活性，可以吸收超過本身數倍的有機溶液，有良好的吸附性。

3 結束語

對三維石墨烯基多功能材料可控制備與性能的闡述是以氣凝膠為切入點，分析了可控制備的過程，以及樣品制備后的結構特征，而對性能的分析是從可壓縮、熱能滲透、吸附性等方面進行論述，為三維石墨烯基多功能材料的進一步研發提供了思路。

參考文獻：

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