石墨烯作为一种新型碳纳米材料,具备优异的电学、光学、热学、力学特征,在柔性可穿戴器件、微型超级电容器、锂离子电池、太阳能电池和生物传感器等领域都具有极大的潜在价值,因而引起了广泛的关注。但因为制备工艺的复杂性和较高的制备成本,石墨烯的应用发展受到了很大的限制。激光工艺作为先进制造的代表,具有高效、非接触、无污染等一系列优势,将激光工艺引入到石墨烯的制备中已经成为了热门的研究方向。目前国内外学者对于激光制备石墨烯工艺的研究多集中于激光化学气相沉积(LCVD)、脉冲激光沉积(PLD)、激光还原氧化石墨烯等,这些工艺相比于传统的化学气相沉积(CVD)、机械剥离法等传统制备工艺已经取得了较为显著的进步,但仍有进一步优化的空间。为了进一步简化激光制备石墨烯的工艺方法,实现一步法制备石墨烯,本文主要研究了利用激光诱导技术制备激光诱导石墨烯(Laser induced graphene,LIG)的工艺方法。激光诱导石墨烯(LIG)的概念最早由美国莱斯大学的Jame课题组首先提出的,该石墨烯是一种三维立体结构的多孔纳米石墨烯材料,除了具备石墨烯的基本优点外,还具有更稳定的力学结构特征,在储能、柔性可穿戴设备等方面表现出极大的优势。利用该激光工艺可以在不依靠高温、高压等苛刻的环境或有害的化学试剂的条件下制备出石墨烯,该工艺主要是以聚合物为碳源,通过激光直接辐照聚合物,得到泡沫状三维多孔石墨烯材料,并且可以在制备石墨烯的过程中同时实现石墨烯的图案化。本论文主要研究内容如下:1.背景研究。了解石墨烯的研究发展背景,石墨烯的基本结构与特性以及石墨烯的应用价值。介绍目前常见石墨烯制备工艺及其优缺点,分析引入激光工艺制备石墨烯的优越性。2.激光与聚合物间的作用机理及常用石墨烯表征测试方法介绍。分析激光能量与聚合物相互作用的理论模型,研究聚合物如何吸收激光能量并发生转变的过程;介绍了本实验中为了检测样品质量所用到的表征测试设备及其基本工作原理,本实验中用到的表征设备包含了扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)等。3.实验研究。利用波长450 nm的纳米半导体激光器制备激光诱导石墨烯(LIG),实验分别选取酚醛树脂层压板(电木板)和聚酰亚胺薄膜(PI Kapton)为碳源,其中酚醛树脂层压板(电木板)为刚性材料,聚酰亚胺薄膜(PI Kapton)为柔性材料,两种材料可以根据实际需求应用于不同工况。通过对多组参数的实验样品进行表征对比,分析激光参数对激光诱导石墨烯质量的影响。4.分子动力学模拟。在理论和实验的基础上进行分子动力学模拟,进一步验证实验结果,并从微观角度分析从聚合物到石墨烯的转变机理。通过materials studio(MS)建立聚合物模型,利用Lammps作为模拟平台模拟激光加工PI的升温过程,并对模拟过程及结果进行分析。