【摘 要】
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石墨烯气凝胶是一种以石墨烯为主体,具有三维网络骨架结构的骨架材料。具有质轻、孔隙率高、比表面积大、导电性好、亲油疏水等优异的物理化学性能,在航空航天,电极材料,能源储存,环境保护等众多领域有着非常广泛的应用。然而,由于石墨烯片层间存在π-π键及范德华力,导致石墨烯纳米片层之间极易发生团聚与堆叠,且随着材料多孔性的提高,结构的机械性能难以避免随之降低。故在构筑石墨烯气凝胶三维网状结构的同时,如何保证
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石墨烯气凝胶是一种以石墨烯为主体,具有三维网络骨架结构的骨架材料。具有质轻、孔隙率高、比表面积大、导电性好、亲油疏水等优异的物理化学性能,在航空航天,电极材料,能源储存,环境保护等众多领域有着非常广泛的应用。然而,由于石墨烯片层间存在π-π键及范德华力,导致石墨烯纳米片层之间极易发生团聚与堆叠,且随着材料多孔性的提高,结构的机械性能难以避免随之降低。故在构筑石墨烯气凝胶三维网状结构的同时,如何保证其多功能性,并进一步构筑具有较强力学性能的柔性多孔材料成为了科研人员的研究热点。本文采用纤维素为骨架制备石墨烯/纤维素复合气凝胶,有效增强了石墨烯气凝胶自身的力学性能,获得了不同形貌的低密度（0.03 g/cm~3）柔性多孔石墨烯/纤维素复合气凝胶材料。本文采用了冷冻铸造法与冷冻干燥法相结合的制备方法,系统探究了制备工艺参数对石墨烯/纤维素复合气凝胶结构及微观形貌的影响规律。通过改变冷冻铸造条件,获得了具有特殊定向结构的石墨烯/纤维素复合气凝胶及石墨烯/纤维素复合气凝胶薄膜。在选用质量分数为2%的纤维素水溶胶作为复合气凝胶骨架的基础上,所获得的石墨烯/纤维素复合气凝胶结构具有良好的结构稳定性,并在水平方向及垂直方向呈现各向异性。石墨烯/纤维素复合气凝胶薄膜在制备过程中消除了由于冰晶移动对结构带来的不利影响,获得了结构取向高度统一,结构完整性良好的薄膜材料。本课题利用扫描电子显微镜及红外光谱等方法探究了石墨烯含量及特殊定向结构对石墨烯/纤维素复合气凝胶宏观形貌及微观结构的影响。结果表明,石墨烯/纤维素复合气凝胶的结构在水平方向及垂直方向呈现不同的结构特点,具备各向异性,且石墨烯片层仅通过物理方式附着在纤维素骨架上,不同结构的纤维素骨架对于石墨烯的承载能力是不同的。本课题采用压缩力学测试探究了石墨烯/纤维素复合气凝胶在不同方向上的压缩力学行为,进一步分析了石墨烯含量及定向结构对材料力学性能的影响规律。具有定向结构的纤维素骨架相较于无定向的纤维素骨架,能够承载更多的石墨烯,并具有更加优良的力学性质。所获得的石墨烯/纤维素复合气凝胶的压缩力学性能由于结构具有各向异性,在不同方向上同样呈现不同的力学特性。在垂直方向上,石墨烯/纤维素复合气凝胶的压缩刚度相较于纤维素骨架有明显提升,且随着石墨烯含量增加呈现先上升后下降的趋势,材料抗压能力提升;但在水平方向上,随着石墨烯含量的增加,压缩刚度同样呈现先上升后下降的趋势,但压缩刚度相较于纤维素骨架有明显下降,材料抗压能力下降。本课题采用热重分析等方法探究了石墨烯/纤维素复合气凝胶的热稳定性,采用热导率测试获得了石墨烯/纤维素复合气凝胶的热导率数据,进一步分析了不同方向及不同石墨烯含量对石墨烯/纤维素复合气凝胶热学性能的影响规律。结果表明,石墨烯/纤维素复合气凝胶在200℃以内具有良好的热学稳定性,且隔热性能良好。块体材料的隔热性能与结构一致,呈现各向异性。在水平方向上的热导率明显高于垂直方向,垂直方向具有更好的隔热性能。随着石墨烯含量的增加,在水平方向上,热导率基本保持不变,但在垂直方向上热导率有较明显的提高。
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