石墨烯及其聚合物纳米复合材料

石墨烯是一种新型的二维纳米碳材料,具有优异的机械性能、电性能和热性能等,是聚合物纳米复合材料的理想填料。近年来,石墨烯/聚合物纳米复合材料成为聚合物基纳米复合材料的研究热点。本文对石墨烯及其聚合物纳米复合材料的研究进展进行了综述。首先概述了石墨烯的不同制备方法及石墨烯的共价与非共价改性途径。然后重点总结了石墨烯/聚合物纳米复合材料的常用制备方法及其机械性能、导电性、导热性、耐热性及阻隔性能。最后,对该领域所存在的问题进行了总结,并展望了其发展趋势。     

聚合物纳米复合电介质

聚合物纳米复合材料能够发挥纳米材料在电、磁、光等方面的优越性,也具有聚合物的易成型等方面的优点,正成为电介质领域研究的热点.本文综述了聚合物纳米复合材料在介电性能方面的研究概况,主要涉及了电导、介电强度与空间电荷、介电常数、介电损耗以及局部放电等方面的研究.最后展望了今后的研究方向.     

石墨烯/聚合物纳米复合电流变材料

电流变智能流体在外电场刺激下能快速可逆地改变自身流变性能,具有重要技术应用价值.传统的基于微米颗粒的电流变流体易于沉降并且电致屈服强度不高限制了技术应用,最近基于纳米颗粒的非传统电流变材料研究受到重视,特别是具有各向异性形貌的纳米颗粒悬浮液被发现具有明显增强的电/磁流变效应.本文介绍了最近基于石墨烯的二维纳米复合电流变材料的研究进展,主要包括石墨烯/半导聚合物、石墨烯/极性聚合物、石墨烯/碳等几种典型的电流变材料的制备、结构和电流变行为.研究表明利用石墨烯独特的二维纳米结构、优异的电学和热学性质可能为制备新颖的高性能纳米电流变材料提供途径。     

介电高分子及其纳米复合材料的电容储能应用

静电电容器具有极快的放电速率和超高的功率密度,是先进电力与电子系统中的重要储能元件.介电高分子凭借其高击穿、可自愈、低损耗、低成本等优势成为了广泛使用的电容器电介质材料.然而,介电高分子能量密度偏低、热稳定性较差等问题制约了它们在大功率电力电子和紧凑型功率模块中的应用.为了提高介电高分子的能量密度和满足其在高温环境下的应用需求,我们开展了一系列研究.本文着重介绍了我们近年来在开发高性能聚合物基电介质材料及相关介电现象理论研究方面的进展.主要内容涵盖基于聚偏氟乙烯的铁电聚合物、共聚物、纳米复合材料,以及聚合物基高温介电材料的制备与表征,还包括介电纳米复合材料界面微区特性的研究.最后对介电高分子在电容储能应用领域仍存在的问题进行了总结,并展望了未来可能的研究方向.     

高性能石墨烯/聚合物纳米复合材料的研究进展——界面作用力的设计及其影响

石墨烯是一种二维材料,具有极其优异的电学、力学、热学等性能,制备方法简单且价格低廉,可以在高性能聚合物基复合材料中展现无穷魅力.石墨烯在聚合物中的分散状态,以及与基体间的界面作用是构筑高性能石墨烯/聚合物纳米复合材料的关键因素.本文综述了石墨烯/聚合物纳米复合材料的界面作用力,包括氢键、π-π堆栈、共价、配位作用和成核—结晶作用,并总结和评述了这些界面作用力的优缺点和适用范围.最后展望了多种协同作用在构筑强界面作用力的石墨烯/聚合物基纳米复合材料中的应用前景.     

石墨烯在聚合物阻燃材料中的应用及作用机理

本文从聚合物基底的阻燃复合材料类别角度出发,详细介绍了石墨烯在不同种类聚合物阻燃材料中的应用现状与作用机理。 包括有:石墨烯/聚乙烯、石墨烯/聚丙烯、石墨烯/聚苯乙烯、石墨烯/环氧树脂、石墨烯/聚氨酯、石墨烯/聚乙烯醇等多种石墨烯/聚合物复合阻燃材料。 同时还介绍了石墨烯基材料在其中所发挥的作用,该综述为发展出新型的石墨烯基/聚合物复合阻燃材料提供了很好的理论支持。     

储能薄膜电容器介电高分子材料

高功率密度、高充放电效率以及超长使用寿命等特点是聚合物薄膜电容器能够广泛应用于电动汽车、智能电网等各类电子电气领域中的重要原因。其中,介电高分子材料因其质轻、击穿强度高、易大规模加工等优点赋予了薄膜电容器更多的可能性。但同时,介电高分子的介电常数普遍较低,导致所制备的电容器能量密度偏低因而不能更好地适应设备小型化轻型化的要求。本文概述了电介质以及薄膜电容器的基本原理以及性能参数,着重介绍了以储能为主要研究方向的介电高分子材料,主要包括聚合物基纳米复合介电高分子、偶极玻璃聚合物、交联型介电高分子以及多组分全有机介电高分子。最后对介电高分子在制备性能优异的储能电容器过程中面临的多重挑战和潜在机遇进行了总结。     

石墨烯/偶氮杂化材料研究进展

石墨烯作为一种新型二维平面纳米材料,表现出许多优异的物理性质.含偶氮苯的化合物和聚合物作为功能材料具有独特的光响应性质.将石墨烯的特性与偶氮材料的光响应性相结合,有望发展一类具有卓越性能的新型光电功能材料.本文总结了石墨烯/偶氮杂化材料这一研究方向的最新进展,重点介绍了杂化材料的制备、表征和光电功能性质等,并简要展望了这类材料的发展前景.     

细乳液聚合法制备有机/无机纳米复合材料

无机纳米粒子的引入可以使聚合物材料获得抗菌、导电和防紫外等诸多特性,但无机纳米粒子在聚合物基质中易团聚、引入量少,难以充分发挥其优点。细乳液聚合法基于其独特的成核方式--液滴成核,能够提高无机纳米粒子在聚合物基中的分散性和引入量,且复合材料的形貌易于控制,是目前制备特殊形貌有机/无机纳米复合材料的一种有效手段。本文介绍了有机/无机复合纳米材料的细乳液制备过程,综述了近年来不同无机纳米粒子与有机基质复合的研究进展,例如：纳米SiO₂、纳米ZnO、金属纳米粒子、纳米氧化石墨烯等。最后就其发展现状提出了几点建议。     

石墨烯/橡胶纳米复合材料研究进展

石墨烯结合了碳纳米管导电和黏土片层的结构特征,为发展高性能、多功能聚合物纳米复合材料提供了新的方向.石墨烯/橡胶纳米复合材料近年来引起广泛关注.众多研究结果表明石墨烯是橡胶的理想填料之一,为高性能橡胶改性提供了新途径.本文介绍了石墨烯/橡胶纳米复合材料的3种主要制备方法,即乳液共混法、溶液共混法和机械混炼法,以及材料的物理机械性能、电学性能、气体阻隔性能和热学性能,并分析了该类材料的发展前景和存在问题.     

专利

本发明包括一种含有改性石墨烯高介电常数三相复合材料及其制备方法,属于电介质材料领域。现有聚合物基电介质复合材料为了实现较高的介电常数,需要在复合材料之中添加较高含量的陶瓷粒子,大量的陶瓷粒子将会损害复合材料的机械性能和电学性能。本发明所提供的聚合物基电介质复合材料由三相组成,分别是聚合物基体聚偏氟     

电化学法制备石墨烯及其复合材料

石墨烯是一种具有优异物理和化学性质的新型二维碳纳米材料,大规模低成本制备高品质石墨烯的方法是其能够得到广泛实际应用的重要前提. 电化学方法可以快捷、绿色无污染、批量制备高质量的石墨烯及其复合材料. 本综述在对石墨烯各种制备方法进行简要比较之后,对近年来石墨烯、石墨烯/无机纳米复合材料、石墨烯/聚合物复合材料以及类石墨烯材料的电化学法制备进展进行介绍并作了展望.     

具有三维导电网络结构的锡纳米颗粒/石墨烯纳米片复合电极材料的储镁性能研究

镁二次电池具有安全性高、价格低廉等优点,是一种具有潜在应用前景的高能量密度电池体系.目前,镁二次电池的研究重点之一是寻找合适的电极材料.最近,我们通过水热和热处理相结合的方法成功制备了具有三维导电网络结构的锡纳米颗粒/石墨烯纳米片复合电极材料.研究发现,在石墨烯的三维导电网络片层上,均匀分布了粒径小于100 nm的锡纳米颗粒.将锡纳米颗粒/石墨烯纳米片复合材料作为镁二次电池电极材料,当电流密度为15 mA·g^-1和300 mA·g^-1时,首次放电容量分别达到了545.4 mAh·g^-1和238.8 mAh·g^-1,经过150圈后,容量保持率达到了93%,库伦效率为99%,表现出了较高的电化学活性.研究还发现,镁离子嵌入复合材料中形成镁锡合金,当镁离子脱出后,再次形成锡纳米颗粒/石墨烯纳米片复合电极材料,镁离子的脱出和嵌入具有很高的可逆性.这对未来研究设计高性能镁离子电极材料具有十分重要的意义.     

基于多层结构设计的高储能密度氧化石墨烯/聚酰亚胺复合材料

采用逐层涂布、 分层控制固化程度的方法, 利用聚酰胺酸(PAA, 聚酰亚胺前体)溶液和含有氧化石墨烯（GO）的PAA溶液制备了一系列由高绝缘性PI层与GO@PI介电层交替组合而成的界面清晰且紧密衔接的多层复合薄膜. 通过调控介电层中GO含量及分层结构, 使多层复合薄膜兼具高介电常数和高击穿强度特征. 结果表明, 三层复合薄膜PI/1.0GO@PI/PI的击穿强度为261.5 kV/mm, 储能密度达到1.27 J/cm³, 与相同介电层厚度的单层薄膜相比, 击穿强度和储能密度分别提高了97%和144%, 同时, 其介电损耗也保持在较低水平(tanδ=0.0079). 绝缘层和高介电常数层的协同作用提升了氧化石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜的储能密度. 这种简单的多层结构设计有利于氧化石墨烯/聚合物复合材料在介质储能领域的应用.     

粒子-聚合物相互作用与粒子-粒子相互作用对聚合物基纳米复合物力学性能的影响

聚合物基纳米复合物(PNCs)具有比传统高分子材料更加优异的光学、力学、热力学等性能,广泛应用于各个工程领域.而纳米粒子(NPs)对材料性能提高的机理则是当前聚合物纳米复合物领域研究的重要问题,聚合物纳米复合体系相互作用的影响因素众多,至今尚未明确并完整建立复合体系相互作用与性能增强之间的关系.本文总结了近年来关于纳米粒子填充聚合物基体力学性能的研究,从粒子-聚合物相互作用和粒子-粒子相互作用角度阐述了聚合物纳米复合体系力学性能的增强机理,并根据体系中不同的结构关系分别总结了聚合物/未改性纳米粒子复合体系和聚合物/聚合物接枝纳米粒子复合体系中影响力学性能的因素.该部分内容具有重要的理论和实践意义,有助于构建复合体系微观结构与宏观性能之间的关系,进而对微观层面调控PNCs的力学性能提供指导.     

两端系留纳米粒子聚合物的分子动力学模拟

两端系留纳米粒子聚合物是研究末端对聚合物链弛豫行为影响的优选分子模型.本文构建了两端系留纳米粒子聚合物模型,运用粗粒化分子动力学方法研究了两端系留纳米粒子聚合物的特征温度和弛豫行为,探讨了纳米粒子半径和聚合物链长对玻璃化转变温度、结晶温度和介电性能的影响.研究表明,聚合物两端纳米粒子的存在可延缓聚合物链的弛豫并促进结晶,使两端系留纳米粒子聚合物的玻璃化转变温度和结晶温度均增加.研究结果与相关的实验报道吻合,可加深对两端系留纳米粒子聚合物结构和性能的理解.     

一步法制备TiO_2/石墨烯复合多孔薄膜应用于增强光催化活性及光伏性能（英文）

纳米二氧化钛具有制备简单、成本低、化学稳定性好及光响应度高等诸多优势,因而广泛应用于光催化及太阳能转化等诸多领域中.然而,传统TiO_2纳米材料受限于较高光电子空穴复合率,导致其光催化活性及光电转化效率较低.为解决这一问题,研究者采用多种方法用以改善纳米TiO_2的结构,包括化学掺杂、半导体材料插层、碳材料杂化等;另一方面则关注材料结构的设计,例如将合成的纳米材料进一步加工为多孔薄膜,以增大材料比表面积及器件稳定性,以增强其器件性能.其中,将石墨烯引入纳米TiO_2中,形成复合纳米材料,以提升材料本身的光电子传输效率,降低光生载流子复合率,为制备高性能光催化剂及光伏器件开辟了一条可行之路.然而,目前制备的纳米TiO_2/石墨烯复合材料的性能仍不理想,其中常见的问题为合成的材料团聚严重,导致光生载流子在界面传输阻力及复合率都十分高,限制其实际应用.此外,当前大多数关于纳米TiO_2/石墨烯的制备方法仍为溶胶凝胶法、水热法等,所得材料需要进一步进行微纳加工方能形成介孔结构;这些加工方式往往需要二次退火处理,这会进一步加重纳米材料的团聚现象,导致孔隙率分布混乱、材料界面缺陷增多等不良结果.因此,本文采用一步法-蒸汽热法成功制备了TiO_2/石墨烯复合多孔薄膜,无需二次热处理.实验结果表明,所制TiO_2/石墨烯复合物(VTH)的形貌为二维结构,其比表面积高达260 m~2g~(–1),获得的多孔薄膜无明显团聚且孔隙分布集中.当复合物中还原氧化石墨烯含量为5.0wt%时,其光催化活性最高,高于单一的TiO_2薄膜近3倍;将还原氧化石墨烯含量为0.75wt%的复合物用于染料敏化太阳能电池的光阳极时,光电转化效率达到7.58%,明显高于传统方法制备的单一TiO_2的(4.38%).     

聚合物/石墨烯复合材料制备研究新进展及其产业化现状

对石墨烯及其聚合物基复合材料进行简单的介绍和分类,着重介绍了几种主要聚合物/石墨烯复合材的制备方法及其产业化应用研究情况,同时综述了聚合物/石墨烯复合材料最新的研究进展,评述了聚合物/石墨烯复合材料产业化状况及其发展过程中所面临的机遇与挑战.     

氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜研究进展

氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜(GO/Polymer blend PEM)是一种新型的质子交换膜,广泛应用于直接甲醇燃料电池(DMFC)中,已成为质子交换膜研究的热点之一。氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜具有较高的传导质子率、力学性能、阻醇性能和电池性能。本文综述了氧化石墨烯(GO)处理方法、氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜制备方法,氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜的质子传导、阻醇、离子交换容量和电池的性能,氧化石墨烯/聚合物复合质子交换膜质子传递机理及阻醇机理。     

双层氧化石墨烯纳米体系中受限水的介电常数

为了深入了解孔径和氧化程度对介电性能的影响, 通过分子动力学模拟的方法, 探究了水在不同孔径和氧化程度的双层石墨烯纳米通道中的介电行为. 实验结果表明, 在较窄的通道环境中, 水分子会表现出更强的有序取向, 受限水的介电常数随纳米通道空间的减小而减小. 随着氧化程度的增加, 较宽的层间距对介电常数的影响大于较窄的纳米通道. 对于最宽的通道(d=1.2 nm), 石墨烯双分子层内水的介电常数随氧化程度的增加而降低, 而对于相对较窄的通道(d=0.6, 0.9 nm), 介电行为呈现出非单调的趋势. 为了理解其背后的物理原因, 分别计算了3个纳米通道的氢键数量. 结果表明, 氢键数量以及动态稳定性（对应最快的衰减率）最低的是1.2 nm宽的纳米通道, 这表明水分子在大的纳米通道中更不稳定, 同时也比在0.6和0.9 nm的纳米通道中更无序.