基于CVD三维石墨烯泡沫的耐形变导电复合材料

作者:王雷
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近年来,具有导电性和抗变形性的导电复合材料因其适用于各种机械变形场景而受到了前所未有的关注和长足的发展。其中,分散在基体中的导电填料导电网络对复合材料在变形下的电阻稳定性起着决定性的作用。由化学气相沉积(CVD)工艺制备的石墨烯泡沫由无缺陷的连续石墨烯薄膜组成。宏观上,它是一个具有均匀多孔结构的三维导电框架,避免了导电填料在基体中的团聚。因此,它已成为制备抗变形导电复合材料的首选材料之一。然而,由于目前可用的金属泡沫镍模板的局限性,石墨烯泡沫的内孔形状近似圆形,变形阻力有限,这影响了复合材料的阻力稳定性。因此,需要充分设计导电网络和相关复合材料的宏观结构,以提高石墨烯增强导电复合材料的抗变形能力。通过Ni泡沫塑料模板的结构设计,对CVD法获得的石墨烯泡沫塑料内部孔隙结构进行了调整,开发了一系列新的填充三维侧向压缩的抗变形导电复合材料,满足了新一代可穿戴电子设备在复杂环境中应用的要求。本文的主要研究工作包括以下四点:(1)对金属泡沫镍进行了横向压缩处理,并对其进行了不同程度的横向压缩已获得。在横向压应力作用下,石墨烯骨架沿压缩方向扭曲收缩,内部平均横向孔径与孔隙率相同,分别从未压缩时的263 m和99.68%下降到19 m和90%横向压缩时的98.3%。此时,泡沫的内部结构更加紧密,使电导率在没有压缩的情况下从6.5秒/厘米增加到11秒/厘米。技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能技能。此外,当横向压缩度为75%时,三维石墨烯泡沫呈现出独特的波浪结构。(2) 以三维石墨烯泡沫塑料为导电骨架,采用溶液滴涂法制备了一系列导电复合材料,该材料具有柔性、轻质、高质量的特点,满足了可穿戴电子设备的轻量化和抗弯曲要求。所得复合材料具有高度多孔结构,密度低至0.12 g/cm3,石墨烯含量为8 wt%,电导率为6.5 s/cm,电磁屏蔽效率为42.4%,可屏蔽99.99%以上的入射电磁波。由于密度极低,材料在单位密度和单位面积密度下的电磁屏蔽效率达到300.7dB。分别为cm3/g和1879dBcm2/g。此外,当内部横向压缩度达到75%时,复合材料具有独特的双层结构,导电性表现出良好的耐腐蚀性。当材料端部与水平线之间的夹角为50时,复合材料仍能保持结构完整性和阻力稳定性。(3) 采用横向拉伸的方法制备了一种新型的波状导电复合材料压缩石墨烯泡沫作为导电骨架,具有良好的机械性能,在高压下具有优异的电阻稳定性。该材料的拉伸强度达到8.53%,拉伸强度达到517%。在50%和100%拉伸应变下,电阻变化率仅为9.5%和14%,这比大多数报道的可伸缩导体材料要好。此外,在应变小于150%的拉伸循环、弯曲半径为2mm的弯曲循环和扭转角度为720的扭转循环中,复合材料也表现出良好的电阻稳定性。相关演示充分证实了大应变可伸缩导电器件等材料的实际应用潜力。(4) 此外,导电复合材料内部的导电网络旨在解决耐变形导电复合材料的导电性受温度和湿度变化影响的问题。制备了一种具有双层导电网络结构的柔性复合材料,其中波浪状石墨烯泡沫塑料为外导电层,导电聚合物为内导电层。该材料的电阻在高温下具有极好的稳定性。当单次拉伸应变为30%、50%和80%时,电阻变化率分别为3.2%、5.3%和12.3%,。此外,在形成相对完整的双层导电网络后,复合材料的电阻可以在-30~145的温度范围和40~90%的相对湿度范围内保持稳定。进一步的应用演示充分证实了这种材料作为全天候、全季节使用的灵活可穿戴电子设备的实际应用潜力。