三维石墨烯泡沫..docx

附件一： 稿号：（请在修改稿中注明稿号）基于石墨烯泡沫骨架的柔性力敏复合材料*刘盾1,2， 孙泰1，李春2*，魏大鹏1* (1.中国科学院重庆绿色智能技术研究院，跨尺度制造技术重庆市重点实验室，重庆 400714；2. 电子科技大学，光电信息学院，成都，610054)摘要：通过化学气相沉积法(CVD法)，以泡沫镍为模板生长石墨烯薄膜，并通过液相镍刻蚀方法制备完全由石墨烯构成的自支撑三维结构泡沫材料。采用拉曼光谱仪（Raman）、热重分析（TGA）、场发射扫描电子显微镜(SEM)等测试手段对自支撑三维石墨烯泡沫材（GF）料进行表征，结果证实获得了一种高质量、少缺陷的GF。将GF与聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合，进一步优化GF的机械性能，并制备成一种柔性力敏复合材料。主要研究了这种基于石墨烯泡沫骨架的柔性力敏复合材料的拉伸特性，包括当GF/PDMS复合材料拉伸时，阻值差与初始阻值之比的曲线以及多次拉伸回复的阻值变化。实验结果证明这种绳状的GF/PDMS复合材料不仅有良好的柔性，而且它具有优异的导电性，并对力的响应灵敏，因此它在力敏实时监测与传感方面将会有广泛的应用前景。关键词：三维石墨烯泡沫（GF）；聚二甲基硅氧烷（PDMS）；力敏材料中图分类号： TQ127.1+1文献标识码：A1 引言二维石墨烯是新兴的碳材料，将二维石墨烯扩展到三维结构对现有石墨烯的应用是重要的，因此三维石墨烯是近些年来科学研究关注的热点[1-3]。石墨烯三维结构是二维石墨烯在三维空间当中的一种存在方式，其存在的形式丰富多样，如石墨烯网格，石墨烯纤维，石墨烯凝胶等[4]。这类石墨烯三维结构不仅保留了二维石墨烯原有优异物理化学性质，同时由于其特殊的微观结构，赋予三维石墨烯低密度，大比表面积，和高导电性[5-10]。通过化学气相沉积法（CVD法），在三维多孔的泡沫型模板上致密的覆盖生长石墨烯，最终形成三维石墨烯泡沫。三维石墨烯泡沫（GF）是2011年陈宗平[5]团队最先通过CVD法制备成功的，GF结构上类似于用化学手段制备的还原氧化石墨烯[11-13]，但是却拥有其无法比拟的电学性能。这种多孔的GF在化学生物传感器[14-15]、超级电容器等[16-17]等研究方向有潜在应用。有研究表明，GF具有优异的机械特性[5]，例如GF与PDMS复合后，可以承受宏观上的拉伸弯曲变化。有研究人员通过GF与PDMS复合的方法，制备出GF/PDMS复合材料。但是这种复合材料拉伸量在50%的情况下，电阻变化率仅小于40%[18]，很难对所受微小的拉伸变化进行敏感探测。这是因为其GF表面存在很多褶皱纹路，在拉伸的情况下,这些褶皱会缓冲GF形变,从而削弱其电阻值的对拉伸的敏感变化。因此,为了提升GF/PDMS的力敏响应，就必须要对GF结构与材料进行优化设计，使GF对应力应变的响应产生电阻倍增效应。本文通过常压CVD方法，实现了高质量GF制备，然后通过真空干燥法实现了GF结构完整以及表面平整，并与PDMS复合，得到绳状的GF/PDMS功能化复合材料。石墨烯作为导电骨架,其缺陷少，导电性好。与PDMS复合后，绳状的GF在机械性能上又得到了进一步的优化，在拉伸的情况下，既能保证其导电网络的稳定，同时在回复后保证其导电性能的还原。这种柔性的绳状复合材料质量轻、导电性能好、耐腐蚀能力强，并且能随着外力造成的拉伸形变而产生稳定且非常明显的电流变化。这些特性将使得绳状的GF/PDMS复合材料有很好的应用前景，特别是在力学传感器件方面。2 实验2.1 实验试剂与仪器2.1.1 实验试剂无水乙醇（C2H50）、丙酮（CH3COCH3）、盐酸（HCl）、硝酸（HNO3）、过氧化氢（H2O2）均为分析纯，均购自重庆川东化工（集团）有限公司。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），购自法国阿科玛集团。美国道康宁dowcorning SYLGARD184硅橡胶PDMS，购自道康宁（上海）有限公司。导电银浆SPI Conductive Silver Paint，购自北京飞斯科科技有限公司。2.1.2 实验仪器超声波多频清洗机，型号SB-600DTY，苏州江东精密仪器有限公司；双温区管式炉，安徽贝意克设备技术有限公司；加热台，型号C-MAG HS7，德国艾卡仪器设备有限公司；电热恒温水浴锅，型号DZKW-4，北京中兴伟业仪器有限公司；真空干燥箱,型号DZF-6020，上海一恒科学仪器有限公司；拉曼光谱仪，型号inVia Reflex，英国雷尼绍公司；热场发射扫描电子显微镜，型号JSM-7800F，日本日本电子株式会社；原子吸收光谱仪，型号AA 240FS/240Z，美国安捷伦科技有限公司；热重及同步热分析仪，型号TGA/DSC 1，瑞典梅特勒-托利多国际股份有限公司；电化学工作站