论文部分内容阅读
石墨烯膜是由石墨烯沿轴向紧密有序排列而成的连续宏观组装材料，是近年来发展起来的新型碳质膜。石墨烯膜具有低密度、高导电、层状纳米结构等特性，而宏观石墨烯组装膜由于氧化石墨烯的高缺陷，石墨烯层与层之间界面电阻偏高，导致宏观石墨烯组装膜在电磁屏蔽等应用效果不佳，针对宏观组装膜的导电性、电磁屏蔽应用这两个关键问题，本论文提出了降低石墨烯膜缺陷、不同维度碳纳米材料协同组装及钾掺杂石墨烯膜等方法来获得高导电宏观石墨烯膜并应用于高电磁屏蔽领域。主要工作及研究成果如下: 本论文提出了低缺陷石墨烯膜、碳纳米管与石墨烯协同组装膜和钾掺杂石墨烯膜的制备技术及其电磁屏蔽性能。探索了不同温度处理对纯石墨烯膜微观结构的改变以及导电性能和电磁屏蔽性能的影响，通过将不同含量的碳纳米管与石墨烯复合，对比研究复合膜导电性能与电磁屏蔽性能，发现碳纳米管含量为20wt％时，复合膜的导电与电磁屏蔽性能最好，揭示了碳纳米管与石墨烯的导电协同效应。在掺杂石墨烯膜方面讨论了一阶与二阶钾掺杂石墨烯膜的导电性能与电磁屏蔽性能，提出了新参数来评测电磁屏蔽性能，即平均体积比屏蔽效能和平均质量比屏蔽效能。 1.利用高温热处理方法获得高性能石墨烯宏观组装膜。将化学还原后的初级石墨烯膜在不同温度下(500、1000、1500、2000、3000℃)进行高温热处理，探讨了不同温度处理过的石墨烯膜的导电性能与电磁屏蔽性能。研究发现，3000℃高温热处理过的石墨烯膜由于含氧官能团几乎完全被去除，缺陷被修复，导电性能达到2.08×105S m-1，电磁屏蔽性能在2-18GHz的频率范围内，达到69.2～94.2dB。 2.提出了碳纳米管与石墨烯协同组装的方法来制备碳纳米管-石墨烯协同组装膜。通过比较纯石墨烯膜(GF)、不同含量的碳纳米管(5、10、15、20、30、40wt％)-石墨烯复合膜(GCF)的导电性能与电磁屏蔽性能，发现复合膜中碳纳米管含量为20wt％时性能最好，导电率从1.79×105S m-1上升到2.74×105S m-1，热导率从540W m-1K-1上升到1154Wm-1K-1，电磁屏蔽性能在2～18GHz频率范围内达到58～66dB。这源于碳纳米管与石墨烯的协同效应，添加的碳纳米管(5～20wt％)增加了复合膜的导电网络，提高了复合膜的导电率和电磁屏蔽性能，但是继续添加碳纳米管(30、40wt％)会发生团聚现象，性能反而降低。利用平均体积电磁屏蔽效能(VASE)来评估复合膜的电磁屏蔽性能，也会呈现出碳纳米管含量为20wt％时，平均体积电磁屏蔽效能最高，VASE值从GF(46.6dB)单调增加到GCF-20(53.4dB)。 3.提出了控制钾掺杂的阶数来获得更高导电率的方法。制备了金黄色的一阶钾掺杂石墨烯膜(GF-K1)与深蓝色的二阶钾掺杂石墨烯膜(GF-K2)，并探索了其导电性能与电磁屏蔽性能。结果表明，金黄色的一阶钾掺杂石墨烯膜(GF-K1)的电导率达到1.23×107S m-1，深蓝色的二阶钾掺杂石墨烯膜的电导率达到1.49×107S m-1，由于钾掺杂石墨烯膜的密度较低(GF-K1为1.45g cm-3，GF-K2为1.63gcm-3)，其比电导率比银和铜金属高。在2～18GHz的频率范围内，厚度为31μm时，二阶钾掺杂石墨烯膜的电磁屏蔽性能达到130dB。平均质量电磁屏蔽效能在所有电磁屏蔽材料中最高，达到310.96dB，远远超过以前报道的其他任何宏观组装膜屏蔽材料，甚至是铜箔(140.09dB)。 总之，本论文以宏观石墨烯组装膜的高性能化为目标，发展了低缺陷石墨烯膜、碳纳米管-石墨烯协同组装膜、钾掺杂石墨烯膜系列，系统研究了石墨烯膜的导电性能与电磁屏蔽性能，为新型电磁屏蔽材料的发展起到了重要的推动作用。