石墨烯的界面優(yōu)化與尺寸控制.pdf

1、骨頭、珍珠貝和蜘蛛絲等自然界中廣泛存在的材料是生物體為了適應(yīng)環(huán)境，歷經(jīng)了億萬年的演變與進(jìn)化所形成的，它們因而具有難以置信的機(jī)械性能。仿生學(xué)研究結(jié)果表明，如此優(yōu)異的性能是來源于其納米、微米尺度復(fù)合的多級層次結(jié)構(gòu)、無機(jī)-有機(jī)界面的犧牲鍵與隱藏長度，以及裂紋偏轉(zhuǎn)/偏斜等增韌機(jī)理。眾所周知，石墨烯是目前人們所發(fā)現(xiàn)最硬的材料，已被廣泛用作聚合物復(fù)合材料的增強(qiáng)填料。然而，復(fù)合材料的強(qiáng)度、斷裂韌性往往是互相矛盾的。在聚合物彈性體中添加剛性填料通常會造

2、成材料強(qiáng)度提升而韌性、延展性下降。迄今為止，如何平衡并最優(yōu)化材料的強(qiáng)度和韌性，仍然是困擾材料科學(xué)界數(shù)十年的關(guān)鍵問題。
　　在本論文中，我們通過仿生結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，展示了石墨烯作為強(qiáng)韌聚合物增強(qiáng)填料的優(yōu)秀前景。通過在石墨烯表面引入非共價(jià)鍵、共價(jià)鍵接枝的聚氨酯短鏈，我們不僅保證了石墨烯與基體的良好相容性，更能有效地模仿天然強(qiáng)韌材料中的犧牲鍵和隱藏長度結(jié)構(gòu)。其中，芘類衍生物和石墨烯間的π-π共軛相互作用（非共價(jià)鍵）構(gòu)成

3、了犧牲鍵。在施加應(yīng)力時(shí)，芘類衍生物會沿著石墨烯表面滑移、脫落，并耗散額外的應(yīng)變能。寡聚物與基體間的氫鍵相互作用力則構(gòu)成了隱藏長度，它們不僅保證了界面上有效的載荷轉(zhuǎn)移，增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和模量，當(dāng)施加應(yīng)力時(shí)，氫鍵團(tuán)簇會逐漸解離，鏈段隱藏長度得以釋放。故僅需添加2.0wt％羥基化石墨烯，材料在維持原有斷裂伸長率(＞900％)基本不變的條件下，便能使斷裂強(qiáng)度、楊氏模量和斷裂韌性大幅提高50.7％，104.8％和47.3％。
　　另一方面，石

4、墨烯的性能是強(qiáng)烈依賴于其片層尺寸。如何調(diào)控石墨烯片層尺寸，業(yè)已成為科研工作者們無法回避的重要課題。我們首次通過水熱處理，獲得了具有特定片層尺寸的石墨烯，并通過添加聚乙烯基吡咯烷酮，有效地避免了水熱過程中石墨烯的聚集行為。這種方法不僅能簡單、高效地獲得單層石墨烯片（產(chǎn)率＞90％），更能通過改變反應(yīng)溫度來調(diào)節(jié)所得片層的尺寸大小（達(dá)3.5個(gè)數(shù)量級）和還原程度。我們進(jìn)而深入研究了石墨烯裁剪的內(nèi)在機(jī)理，證實(shí)了還原過程中環(huán)氧對的快速消除、水分子與邊