论文总字数：18506字

摘 要

氧化石墨烯(graphene oxide,GO)是石墨烯的一种具有重要意义的派生物，是在制备石墨烯时得到的中间产物。石墨烯的结构在氧化石墨烯中得到了保留，只是在碳原子构成的二维平面上联有环氧基(O)、羧基(COOH)、羰基(C＝O)、羟基(OH)等含氧官能团^[1]。由于这些基团，氧化石墨烯获得了一些新的性能，也为共价修饰提供了靶点。本文主要研究了采用共价接枝高聚物聚醚胺（PEA）的方法对氧化石墨烯进行改性，并分析了改性后的氧化石墨烯对复合材料力学与热学性能的影响。

关键词：氧化石墨烯 共价改性 力学性能 导热性能

Covalent modification of graphene oxide and preparation of composite materials

Abstract

Graphene oxide is the intermediate product obtained by chemical oxidation and stripping method, and it is also an important derivative. Structure of graphene is basically the same, just carbon atoms in a two-dimensional plane couplet have hydroxyl (OH), carboxyl (COOH), epoxy (o), carbonyl (C = O) and other oxygen-containing functional groups. These functional groups not only give some new properties of graphene oxide, but also provide a new target for covalent modification of graphene. In this paper, we mainly described the modification of graphene oxide by covalently grafted polymer polyether amine (PEA), and analyzed the influence of the modified graphene oxide on the mechanical and thermal properties of the composites.

Key Words: Graphene oxide ; Covalent modification ; mechanical property ; thermal properties

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2石墨烯与氧化石墨烯 1

1.2.1石墨烯结构 1

1.2.2石墨烯性能 2

1.2.3石墨烯的制备 3

1.2.4 氧化石墨烯介绍 4

1.3.2 共价改性原理 5

1.3.3 共价改性意义与现况 6

1.4环氧树脂基体 6

1.4.1 环氧树脂定义及发展简史 6

1.4.2环氧树脂分类 8

1.4.3环氧树脂及其固化物的性能特点 8

1.5复合材料的制备 9

1.6 表征手段 10

1.6.1 X射线衍射分析（XRD） 10

1.6.2透射电镜分析（TEM） 10

1.6.3扫描电镜分析（SEM） 10

1.6.4原子力显微镜分析（AFM） 11

1.6.5电子能量损失谱（EELS） 11

1.6.6拉曼光谱（Raman） 11

1.6.7傅里叶红外光谱分析（FT-IR） 11

第二章 实验 12

2.1 引言 12

2.2 实验原料 12

2.3 实验仪器和设备 12

2.4 样品制备 13

2.4.1 共价改性 13

2.4.2 复合材料制备 14

2.5表征方法 15

2.5.1 X射线衍射(XRD) 15

2.5.2 红外光谱分析(FT-IR) 15

2.5.3导热率的测量 15

2.5.4 冲击性能测量 16

第三章 结论与分析 17

3.1 实验方法总结 17

3.2 XRD分析 18

3.3 红外分析 19

3.4 导热性能分析 20

3.5 冲击性能分析 20

结语与展望 22

参考文献 23

第一章 绪论

1.1引言

简单来说，石墨烯(Graphene)指单层石墨层片，厚度仅达一个原子尺寸，其晶体结构像蜂巢一样，是由sp²杂化碳原子组成的，是世界上目前为止最薄的材料^[2]。石墨烯拥有许多独特的结构和优异的物理性能，如高的本征载流子迁移率(室温电子迁移率可达200000 cm²•V^－1•S^－1)^[3]、带隙可调，高的机械强度和弹性(杨氏模量为1100 GPa，断裂强度为125 GPa)^[4]，优异的热传导性（导热率达5000W•m^－1•K^－1)^[5]，以及特殊的量子霍尔效应和量子隧穿效应^[6]等。正因为这些优异的性能，石墨烯常被用作增强复合材料或者为其提供特殊性能。1950年以来，聚合物基复合材料发展迅猛，因其高性能低密度而在各个领域发挥着重要作用，但是石墨烯与有机物基体相容性太差，因此需通过共价修饰来改进。

1.2石墨烯与氧化石墨烯

自2004年石墨烯被Geim等发现以来， 石墨烯由于其超高的电子迁移率、对热量的良好传导性和优异的力学性能等而得到广泛的关注。是石墨烯的一种具有重要意义的派生物，是用化学氧化剥离法制备石墨烯得到的中间产物，石墨烯的结构在氧化石墨烯中得到了保留，只是在石墨烯的表面上联有环氧基(-O-)、羧基(-COOH)、羰基(-C＝O)、羟基(-OH)等含氧官能团^[1]。正是有了这些基团，氧化石墨烯获得了一些新的性能，如良好的离散性、易溶于水、能与聚合物相容等^[7]，也为进一步共价修饰提供了靶点。

1.2.1石墨烯结构

石墨烯来源于石墨，sp²碳原子之间是由σ键连接，最终形成了蜂窝状的晶体材料，石墨烯中键长约为0.142nm，每个晶格内有三个σ键，连接十分牢固，形成了稳定的六边形状(如图1-1)。石墨烯厚度只有0.34nm，约为人的头发的二十万分之一。

图1-1.石墨烯结构示意图

1.2.2石墨烯性能

石墨烯有着许多其他材料不具备的优异性能，如光学性能、导电性、强度与硬度还有热导率（见表1-1）。石墨烯中的sp²杂化的碳原子剩余的一个p轨道会融合在一起形成大π键，从而产生可以自由移动的大π键电子，正因为如此石墨烯成为了常温下的最佳导电材料。而石墨烯优异的力学性能要归功于其碳原子之间牢固的σ键，键之间强大的结合能使得石墨烯成为目前已知的强度和硬度最高的材料。而这些石墨烯片层的独特的功能提供了各种各样的可能，使石墨烯有望运用于分子传感器^[13]、纳米复合材料^[14]、电池^[15]、超级电容器^[16]等材料中。

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