關于石墨烯功能結構的制備和性能及傳感應用研究

孟祥玥(中國礦業大學（北京），北京100083)

關于石墨烯功能結構的制備和性能及傳感應用研究

孟祥玥(中國礦業大學（北京），北京100083)

石墨烯水域蜂窩狀晶格結構，由sp2碳原子緊密堆積而形成，自身的原子級厚度較高，在力學、光學及電學方面展現出了較強的吸附性能。石墨烯功能結構材料對促使二維石墨烯性質的宏量化，提升石墨烯的開發及應用效果具有重要作用。石墨烯的制備方法與傳統的氣態碳源制備方法存在著一定的處以，需要在低溫的環境下對石墨烯進行制備。本文重點研究石墨烯功能結構的植被和性能及傳感應用，分別從一維、二維和三維三個方面對石墨烯進行研究。

石墨烯；功能結構；制備；傳感應用

功能結構由納米級、微米級及宏觀尺度基本結構組成，這些功能結構被統稱為是功能結構材料。由于這些結構中包含著不同的功能元素，結構材料的多樣化特征較為顯著，展現出了超強的吸附能力，較高的強度及韌性，并且擁有著特殊的光電性能。按照維數進行劃分，主要分為一維結構、二維薄膜結構和三維結構三部分內容，將石墨烯作為最基本的結構單元，對促進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傳感性能

1.1 形貌表征分析

在對一維石墨烯核殼纖維的制備情況進行分析時，主要是利用化學氣相沉積法，將銅絲作為石墨烯纖維中的核心層，對提升石墨烯的柔韌性及導電性具有重要作用，在力學傳感器領域中被廣泛應用。石墨烯纖維的表征受降溫過程影響較大，導致表現出現嚴重的褶皺現象，為了確保表面的完整信號，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構，展現出了石墨烯具有良好的結晶性。而石墨烯的核殼纖維形貌表征表現為，由于石墨烯的纖維表面存在不均勻的石墨層，導致外層的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現石墨烯的纖維表面出現了嚴重的褶皺現象，有一薄層的PVA附著在石墨烯的核外層中[1]。

1.2 電學性能分析

電學性能角度進行分析可知，不同的殼層厚度對纖維電導率會產生不同的影響。石墨烯自身具有優異的電學性能，主要是運用化學氣相沉積方法來進行石墨烯纖維制作，對提升電導率，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存在短路危險，需要將有機物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的絕緣性，需要加大對兩電極方法的應用，計算石墨烯的纖維殼層厚度。石墨烯的核殼纖維在電學導線中被廣泛應用，需要將石墨核殼纖維作為導線，將其固定在聚對苯二甲基乙二醇酯的基底上，將一個電路連接到一個開啟電壓電源上，對提升核殼纖維的接觸效果，強化電學導線在電子電路中的應用效果具有重要作用[2]。

1.3 力學傳感性能分析

為了了解石墨烯的力學傳感性能，需要對石墨烯的纖維進行應力應變測試，將纖維的兩端固定在同一張紙上，將沒有固定的前衛端點剪開。主要是利用化學還原的形式，來達到石墨烯核殼結構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力，通過共價鍵緊密堆積的形式，提升纖維的應力及模量，進一步提高了柔性力學的可拉伸效果，提升了核殼纖維的力學性能。同時，還需要充分發揮聚合物的輔助能力，展現出PVA殼層對復合纖維力學性能的增強作用。突出PVA材料自身易于加工及柔韌性強等特點，促進石墨烯的應力及應變的提升。另外，促進石墨烯溶液與有機物進行混合，有助于提升纖維的力學性能[3]。

2 二維石墨烯網柵薄膜的制備及光電性能研究

2.1 形貌表征分析

通過對石墨烯的銅網前后的SEM照片和光學照片進行展示可知，發現兩者的顏色呈現出明顯的差異。在生長石墨烯之后的顏色要深于之前的顏色，通過對高倍的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現石墨烯的表現出現了明顯的褶皺現象，通過研究可知，出現該種現象的主要原因是由于受熱膨脹系數影響造成。由于石墨烯自身展現出了較強的銅網結構特征，石墨烯的網柵結構由多個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構，了解到了石墨烯自身具有干凈的均一結構。為了驗證石墨烯網柵的透光率，需要將不同的石墨烯網柵結構轉移到藍寶石基地上，研究在不同的參數下，石墨烯網柵的電學性能及樣品的光學性能。通過研究發現，石墨烯的網柵結構與銅網柵具有一致性，通過轉移后，網柵結構并沒有發生嚴重的破壞，受石墨烯交叉區域層出的不同，導致交叉區域展現出了較強的對比度[4]。

2.2 紅外透過率和導電性能分析

通過研究可知，石墨烯網柵結構的波長較長，紅外透過性較強。需要加大對連續的石墨烯薄膜進行紅外透過率測試，了解到石墨烯的網柵結構條帶與厚度具有較強的一致性。連續的石墨烯薄膜由于自身沒有穩定的空白區域，紅外透過率的網柵結構與相同厚度的網柵結構相比厚度較小。需要加大對金屬網柵結構理論透過率進行應用，對金屬網柵的實際透過率進行計算，并與石墨烯的透過率進行對比分析。由于金屬網柵自身具有較高的光頻率，需要通過光學窗口來衍生出更高階的光頻率，在光學呈像方面展現出了良好的應用效果，主要是通過增加光散射的形式，來達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柵的實際透過率，由于石墨烯的條帶是半透光的，對提升石墨烯網柵薄膜的紅外透過率具有重要作用，展現出了較高的透過率[5]。

2.3 電磁屏蔽性能分析

在對二維石墨烯網柵結構進行電磁屏蔽性能測試時，主要是利用同軸法測試方法，將一個矢量網絡分析儀與同軸波管道組成起來，對電磁屏蔽性能進行測試，對同軸波導管系統和網絡分析儀系統進行分析校正，確保測試系統的自動調整，將待測材料放置到導管的中間位置上。電磁波需要從波導管的一端進入，將其分為透過波、反射波和吸收波。需要加大對矢量網絡分析儀的應用，對材料的散射參數進行測試，了解參數的反射系數、透過系數和吸收系數，明確三者之間的關系，三者之間的關系用公式表示為：反射系數+吸收系數+透過系數=1。因此可知，電磁波的屏蔽效能直接反應出了反射系數、透過系數和吸收系數三者的多重反射效能之和。不同的波導管尺所對應的電磁波存在著一定的差異，需要將石墨烯的網柵材料控制在一定的頻率范圍內，提升電磁屏蔽性能，展現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性有機氣體色變傳感性能

3.1 形貌表征分析

石墨烯在化學剝離法制備的前提下，具有缺陷少和產量高等特點，通過將天然鱗片石墨放置在硝酸和硫酸混合液中浸泡，進而形成石墨插層化合物。需要對插層石墨進行反復的清晰，將其放置在化學沉積管式爐中。需要將經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。對石墨烯片層的超聲時間進行控制，解決石墨烯片層不能被剝離現象，經過反復的離心處理后，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，該種結構有助于促進石墨烯的膨脹剝離，并且石墨片的橫向尺寸相對較大，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入到石墨片層中，該種石墨結構有利于后續超聲剝離過程的完善性，能夠制備出少層的石墨烯[6]。

3.2 揮發性有機氣體檢測

石墨烯自身展現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力作用影響，導致顏色發生變化。可揮發性的有機化合物的泄漏對環境會造成嚴重的危害，導致人類出現一些慢行疾病。目前，主要是運用氣相色譜儀或液相方法對有機化合物進行檢測[7]。

3.3 功能薄膜氣體傳感機理分析

聚丁二炔分子易受溶液、溫度及壓力等外界刺激影響，導致溶劑的顏色發生從藍到紅顏色的轉變，針對該項問題，大多數觀點認為造成該種現象的主要原因是由于紫外線吸收光譜所造成的，會在石墨烯的基底部位形成自組裝單分子膜，通過與有機物氣體分子反應，促使構象發生改變。通過觀察可知，聚丁炔分子的共軛骨架并沒有發生明顯的改變，通過聚丁二炔薄膜與二甲基甲酰胺和甲醇兩種氣體反應后，導致氣體顏色發生改變。出現該種現象的主要原因是由于側鏈發生嚴重的波動現象所造成的，導致薄膜一旦遭遇甲醇氣體或二甲基甲酰胺氣體后，導致氣體顏色發生輕微的轉變[8]。

4 結語

石墨烯的功能結構制備成為當前石墨烯材料領域中的重點研究內容，在開展實驗過程中，需要將二維石墨烯片層作為基本單元，優化石墨烯的功能結構，強化石墨烯材料新應用及新性能手段。本文在對石墨烯的功能結構材料進行研究時，建立在功能結構材料研究的基礎上，提出了新的石墨烯功能結構材料制備方案，并且加大了對機械性能、傳感學、電學及光學等領域的研究力度。

[1] 楊程,陳宇濱,田俊鵬,郝思嘉.功能化石墨烯的制備及應用研究進展[J].航空材料學報,2016,(03):40-56.

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[3] 聞雷,陳靜,羅洪澤,李峰.石墨烯在柔性鋰離子電池中的應用及前景[J].科學通報,2015,(07):630-644.

[4] 胡忠良,陳藝鋒,李娜,丁燕鴻,劉富生,張偉.石墨烯復合材料的結構、制備方法和原理[J].功能材料,2014,(S2):16-21.

[5] 宋琪,李祥龍,郝龍,智林杰.石墨烯化聚合物的合成和應用[J].高分子學報,2014,(06):737-751.

[6] 于小雯,盛凱旋,陳驥,李春,石高全.基于石墨烯修飾電極的電化學生物傳感[J].化學學報,2014,(03):319-332.

[7] 石微微,晏菲,周國珺,葉志凱,奚鳳娜.三維石墨烯材料制備方法的研究進展[J].化學通報,2013,(11):988-993.

[8] 蘇慶,張曉倩,于明朗,劉雪芹.高疏水及超黏著性石墨烯薄膜的制備及表征[J].中國表面工程,2012,(01):83-88.