關(guān)于石墨烯功能結(jié)構(gòu)的制備和性能及傳感應(yīng)用研究

孟祥玥(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京100083)

關(guān)于石墨烯功能結(jié)構(gòu)的制備和性能及傳感應(yīng)用研究

孟祥玥(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京100083)

石墨烯水域蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，由sp2碳原子緊密堆積而形成，自身的原子級(jí)厚度較高，在力學(xué)、光學(xué)及電學(xué)方面展現(xiàn)出了較強(qiáng)的吸附性能。石墨烯功能結(jié)構(gòu)材料對(duì)促使二維石墨烯性質(zhì)的宏量化，提升石墨烯的開發(fā)及應(yīng)用效果具有重要作用。石墨烯的制備方法與傳統(tǒng)的氣態(tài)碳源制備方法存在著一定的處以，需要在低溫的環(huán)境下對(duì)石墨烯進(jìn)行制備。本文重點(diǎn)研究石墨烯功能結(jié)構(gòu)的植被和性能及傳感應(yīng)用，分別從一維、二維和三維三個(gè)方面對(duì)石墨烯進(jìn)行研究。

石墨烯；功能結(jié)構(gòu)；制備；傳感應(yīng)用

功能結(jié)構(gòu)由納米級(jí)、微米級(jí)及宏觀尺度基本結(jié)構(gòu)組成，這些功能結(jié)構(gòu)被統(tǒng)稱為是功能結(jié)構(gòu)材料。由于這些結(jié)構(gòu)中包含著不同的功能元素，結(jié)構(gòu)材料的多樣化特征較為顯著，展現(xiàn)出了超強(qiáng)的吸附能力，較高的強(qiáng)度及韌性，并且擁有著特殊的光電性能。按照維數(shù)進(jìn)行劃分，主要分為一維結(jié)構(gòu)、二維薄膜結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)三部分內(nèi)容，將石墨烯作為最基本的結(jié)構(gòu)單元，對(duì)促進(jìn)微觀性能的宏量化具有重要意義。

1 一維石墨烯核殼纖維的制備及柔性力學(xué)傳感性能

1.1 形貌表征分析

在對(duì)一維石墨烯核殼纖維的制備情況進(jìn)行分析時(shí)，主要是利用化學(xué)氣相沉積法，將銅絲作為石墨烯纖維中的核心層，對(duì)提升石墨烯的柔韌性及導(dǎo)電性具有重要作用，在力學(xué)傳感器領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。石墨烯纖維的表征受降溫過程影響較大，導(dǎo)致表現(xiàn)出現(xiàn)嚴(yán)重的褶皺現(xiàn)象，為了確保表面的完整信號(hào)，需要將PMMA溶液涂抹在石墨烯的銅絲表面上，并放置在干燥的真空箱中，做好PMMA包覆層加固。石墨烯片層通過堆積形成多層結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出了石墨烯具有良好的結(jié)晶性。而石墨烯的核殼纖維形貌表征表現(xiàn)為，由于石墨烯的纖維表面存在不均勻的石墨層，導(dǎo)致外層的PVA層較薄，不能清晰的分辨出石墨烯的核層和PVA。從核層的表面能夠清晰的發(fā)現(xiàn)石墨烯的纖維表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的褶皺現(xiàn)象，有一薄層的PVA附著在石墨烯的核外層中[1]。

1.2 電學(xué)性能分析

電學(xué)性能角度進(jìn)行分析可知，不同的殼層厚度對(duì)纖維電導(dǎo)率會(huì)產(chǎn)生不同的影響。石墨烯自身具有優(yōu)異的電學(xué)性能，主要是運(yùn)用化學(xué)氣相沉積方法來進(jìn)行石墨烯纖維制作，對(duì)提升電導(dǎo)率，確保晶格的完整性具有重要作用。為了解決石墨烯作為電極材料時(shí)存在短路危險(xiǎn)，需要將有機(jī)物PVA包覆在石墨烯的纖維外表面上。由于聚合物的外表面具有較強(qiáng)的絕緣性，需要加大對(duì)兩電極方法的應(yīng)用，計(jì)算石墨烯的纖維殼層厚度。石墨烯的核殼纖維在電學(xué)導(dǎo)線中被廣泛應(yīng)用，需要將石墨核殼纖維作為導(dǎo)線，將其固定在聚對(duì)苯二甲基乙二醇酯的基底上，將一個(gè)電路連接到一個(gè)開啟電壓電源上，對(duì)提升核殼纖維的接觸效果，強(qiáng)化電學(xué)導(dǎo)線在電子電路中的應(yīng)用效果具有重要作用[2]。

1.3 力學(xué)傳感性能分析

為了了解石墨烯的力學(xué)傳感性能，需要對(duì)石墨烯的纖維進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試，將纖維的兩端固定在同一張紙上，將沒有固定的前衛(wèi)端點(diǎn)剪開。主要是利用化學(xué)還原的形式，來達(dá)到石墨烯核殼結(jié)構(gòu)纖維還原的重要目的，了解聚合物附著氧化石墨烯纖維抗拉應(yīng)力，通過共價(jià)鍵緊密堆積的形式，提升纖維的應(yīng)力及模量，進(jìn)一步提高了柔性力學(xué)的可拉伸效果，提升了核殼纖維的力學(xué)性能。同時(shí)，還需要充分發(fā)揮聚合物的輔助能力，展現(xiàn)出PVA殼層對(duì)復(fù)合纖維力學(xué)性能的增強(qiáng)作用。突出PVA材料自身易于加工及柔韌性強(qiáng)等特點(diǎn)，促進(jìn)石墨烯的應(yīng)力及應(yīng)變的提升。另外，促進(jìn)石墨烯溶液與有機(jī)物進(jìn)行混合，有助于提升纖維的力學(xué)性能[3]。

2 二維石墨烯網(wǎng)柵薄膜的制備及光電性能研究

2.1 形貌表征分析

通過對(duì)石墨烯的銅網(wǎng)前后的SEM照片和光學(xué)照片進(jìn)行展示可知，發(fā)現(xiàn)兩者的顏色呈現(xiàn)出明顯的差異。在生長(zhǎng)石墨烯之后的顏色要深于之前的顏色，通過對(duì)高倍的SEM圖急性觀察可知，在圖中能夠看到清晰的Cu片表面。并且透過銅的晶界發(fā)現(xiàn)石墨烯的表現(xiàn)出現(xiàn)了明顯的褶皺現(xiàn)象，通過研究可知，出現(xiàn)該種現(xiàn)象的主要原因是由于受熱膨脹系數(shù)影響造成。由于石墨烯自身展現(xiàn)出了較強(qiáng)的銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征，石墨烯的網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)由多個(gè)石墨烯絲帶通過相互穿插編織而形成，在SEM圖中觀察到了完整的石墨烯編織結(jié)構(gòu)，了解到了石墨烯自身具有干凈的均一結(jié)構(gòu)。為了驗(yàn)證石墨烯網(wǎng)柵的透光率，需要將不同的石墨烯網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到藍(lán)寶石基地上，研究在不同的參數(shù)下，石墨烯網(wǎng)柵的電學(xué)性能及樣品的光學(xué)性能。通過研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯的網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)與銅網(wǎng)柵具有一致性，通過轉(zhuǎn)移后，網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生嚴(yán)重的破壞，受石墨烯交叉區(qū)域?qū)映龅牟煌?，?dǎo)致交叉區(qū)域展現(xiàn)出了較強(qiáng)的對(duì)比度[4]。

2.2 紅外透過率和導(dǎo)電性能分析

通過研究可知，石墨烯網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，紅外透過性較強(qiáng)。需要加大對(duì)連續(xù)的石墨烯薄膜進(jìn)行紅外透過率測(cè)試，了解到石墨烯的網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)條帶與厚度具有較強(qiáng)的一致性。連續(xù)的石墨烯薄膜由于自身沒有穩(wěn)定的空白區(qū)域，紅外透過率的網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)與相同厚度的網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)相比厚度較小。需要加大對(duì)金屬網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)理論透過率進(jìn)行應(yīng)用，對(duì)金屬網(wǎng)柵的實(shí)際透過率進(jìn)行計(jì)算，并與石墨烯的透過率進(jìn)行對(duì)比分析。由于金屬網(wǎng)柵自身具有較高的光頻率，需要通過光學(xué)窗口來衍生出更高階的光頻率，在光學(xué)呈像方面展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用效果，主要是通過增加光散射的形式，來達(dá)到破壞各自光成像的目的。研究表明，石墨烯的紅外透過率要明顯高于金屬網(wǎng)柵的實(shí)際透過率，由于石墨烯的條帶是半透光的，對(duì)提升石墨烯網(wǎng)柵薄膜的紅外透過率具有重要作用，展現(xiàn)出了較高的透過率[5]。

2.3 電磁屏蔽性能分析

在對(duì)二維石墨烯網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁屏蔽性能測(cè)試時(shí)，主要是利用同軸法測(cè)試方法，將一個(gè)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與同軸波管道組成起來，對(duì)電磁屏蔽性能進(jìn)行測(cè)試，對(duì)同軸波導(dǎo)管系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)進(jìn)行分析校正，確保測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)整，將待測(cè)材料放置到導(dǎo)管的中間位置上。電磁波需要從波導(dǎo)管的一端進(jìn)入，將其分為透過波、反射波和吸收波。需要加大對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的應(yīng)用，對(duì)材料的散射參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，了解參數(shù)的反射系數(shù)、透過系數(shù)和吸收系數(shù)，明確三者之間的關(guān)系，三者之間的關(guān)系用公式表示為：反射系數(shù)+吸收系數(shù)+透過系數(shù)=1。因此可知，電磁波的屏蔽效能直接反應(yīng)出了反射系數(shù)、透過系數(shù)和吸收系數(shù)三者的多重反射效能之和。不同的波導(dǎo)管尺所對(duì)應(yīng)的電磁波存在著一定的差異，需要將石墨烯的網(wǎng)柵材料控制在一定的頻率范圍內(nèi)，提升電磁屏蔽性能，展現(xiàn)出電磁波的屏蔽作用。

3 三維石墨烯層狀功能薄膜的制備及揮發(fā)性有機(jī)氣體色變傳感性能

3.1 形貌表征分析

石墨烯在化學(xué)剝離法制備的前提下，具有缺陷少和產(chǎn)量高等特點(diǎn)，通過將天然鱗片石墨放置在硝酸和硫酸混合液中浸泡，進(jìn)而形成石墨插層化合物。需要對(duì)插層石墨進(jìn)行反復(fù)的清晰，將其放置在化學(xué)沉積管式爐中。需要將經(jīng)過兩次膨脹的石墨放入到二甲基甲酰胺溶液中，開展超聲剝離工作。對(duì)石墨烯片層的超聲時(shí)間進(jìn)行控制，解決石墨烯片層不能被剝離現(xiàn)象，經(jīng)過反復(fù)的離心處理后，確保石墨烯分散液的均勻性，將分散液防止在真空干燥箱中保溫。另外，從外貌表征上還能夠觀察到石墨呈鱗片狀分布，該種結(jié)構(gòu)有助于促進(jìn)石墨烯的膨脹剝離，并且石墨片的橫向尺寸相對(duì)較大，玻璃出來的石墨烯片層也越大。天然鱗片石墨通過管式爐高溫膨脹作用及酸處理后，拉大了石墨片層之間的間距，確保了插層化合物能夠盡快的進(jìn)入到石墨片層中，該種石墨結(jié)構(gòu)有利于后續(xù)超聲剝離過程的完善性，能夠制備出少層的石墨烯[6]。

3.2 揮發(fā)性有機(jī)氣體檢測(cè)

石墨烯自身展現(xiàn)出了較大的比表面積，給分子提供了較大的接觸表面積，需要將其作為化合物、氣體分子和生物分子的重要傳感器，受化合物之間接觸及應(yīng)力作用影響，導(dǎo)致顏色發(fā)生變化。可揮發(fā)性的有機(jī)化合物的泄漏對(duì)環(huán)境會(huì)造成嚴(yán)重的危害，導(dǎo)致人類出現(xiàn)一些慢行疾病。目前，主要是運(yùn)用氣相色譜儀或液相方法對(duì)有機(jī)化合物進(jìn)行檢測(cè)[7]。

3.3 功能薄膜氣體傳感機(jī)理分析

聚丁二炔分子易受溶液、溫度及壓力等外界刺激影響，導(dǎo)致溶劑的顏色發(fā)生從藍(lán)到紅顏色的轉(zhuǎn)變，針對(duì)該項(xiàng)問題，大多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為造成該種現(xiàn)象的主要原因是由于紫外線吸收光譜所造成的，會(huì)在石墨烯的基底部位形成自組裝單分子膜，通過與有機(jī)物氣體分子反應(yīng)，促使構(gòu)象發(fā)生改變。通過觀察可知，聚丁炔分子的共軛骨架并沒有發(fā)生明顯的改變，通過聚丁二炔薄膜與二甲基甲酰胺和甲醇兩種氣體反應(yīng)后，導(dǎo)致氣體顏色發(fā)生改變。出現(xiàn)該種現(xiàn)象的主要原因是由于側(cè)鏈發(fā)生嚴(yán)重的波動(dòng)現(xiàn)象所造成的，導(dǎo)致薄膜一旦遭遇甲醇?xì)怏w或二甲基甲酰胺氣體后，導(dǎo)致氣體顏色發(fā)生輕微的轉(zhuǎn)變[8]。

4 結(jié)語(yǔ)

石墨烯的功能結(jié)構(gòu)制備成為當(dāng)前石墨烯材料領(lǐng)域中的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，在開展實(shí)驗(yàn)過程中，需要將二維石墨烯片層作為基本單元，優(yōu)化石墨烯的功能結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化石墨烯材料新應(yīng)用及新性能手段。本文在對(duì)石墨烯的功能結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行研究時(shí)，建立在功能結(jié)構(gòu)材料研究的基礎(chǔ)上，提出了新的石墨烯功能結(jié)構(gòu)材料制備方案，并且加大了對(duì)機(jī)械性能、傳感學(xué)、電學(xué)及光學(xué)等領(lǐng)域的研究力度。

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