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第1章 石墨烯 1

1.1 概述 1

1.2 石墨烯的结构和基本性质 4

1.2.1 石墨烯的结构 4

1.2.2 石墨烯的物理性质 6

1.2.3 石墨烯的化学性质 8

1.3 石墨烯的制备 8

1.3.1 剥离法 8

1.3.2 外延生长法 9

1.3.3 化学气相沉积法 11

1.3.4 氧化还原法 13

1.4 石墨烯的表征 15

1.4.1 拉曼光谱术 15

1.4.2 电子显微术、电子衍射花样和电子能量损失谱 23

1.4.3 原子力显微术和扫描隧道显微术 26

1.4.4 光学显微术 29

1.4.5 成分分析 30

参考文献 34

第2章 氧化石墨烯和功能化石墨烯 40

2.1 概述 40

2.2 氧化石墨烯 40

2.2.1 氧化石墨烯的制备 41

2.2.2 氧化石墨烯的表征 42

2.2.3 氧化石墨烯的性质 48

2.3 功能化石墨烯 51

2.3.1 共价键功能化 51

2.3.2 非共价键功能化 57

2.3.3 无机纳米颗粒功能化 59

2.3.4 纳米碳功能化 60

2.3.5 功能化石墨烯的表征 67

参考文献 82

第3章 石墨烯／聚合物纳米复合材料的制备与表征 87

3.1 概述 87

3.2 熔融共混法 89

3.2.1 概述 89

3.2.2 典型流程和增容剂的作用 90

3.2.3 橡胶基纳米复合材料 92

3.3 溶液共混法 101

3.3.1 概述 101

3.3.2 溶液共混 102

3.3.3 胶乳共混 107

3.3.4 功能化石墨烯的使用 108

3.4 原位聚合法 110

3.4.1 概述 110

3.4.2 环氧树脂基纳米复合材料 111

3.4.3 聚氨酯基纳米复合材料 112

3.4.4 聚酰胺6基纳米复合材料 116

3.4.5 聚苯乙烯基纳米复合材料 121

3.4.6 聚甲基丙烯酸甲酯基纳米复合材料 124

参考文献 128

第4章 石墨烯／聚合物纳米复合材料的力学性能 133

4.1 概述 133

4.2 拉伸力学性能 134

4.2.1 拉伸力学性能的表征 134

4.2.2 应力-应变曲线 134

4.2.3 石墨烯片大小对复合材料力学性能的影响 139

4.2.4 石墨烯片取向对复合材料力学性能的影响 141

4.3 力学性能的理论预测 147

4.3.1 Halpin-Tsai模型 147

4.3.2 均匀应力-均匀应变模型 150

4.3.3 Mori-Tanaka模型 150

4.4 动态力学性能 151

4.5 抗压曲性能 153

4.6 断裂韧性 155

4.6.1 韧性的定量描述 155

4.6.2 环氧树脂基纳米复合材料 157

4.6.3 聚酰胺基纳米复合材料 161

4.6.4 石墨烯／碳纳米管／PVA纳米复合材料 163

4.6.5 高强度、高韧性纳米复合材料 164

4.7 增韧机制 167

4.7.1 裂纹转向 167

4.7.2 裂纹钉扎 168

4.7.3 脱结合和拉出 169

4.7.4 裂纹搭桥 172

4.7.5 微开裂和塑性区分支 174

4.7.6 裂纹尖端的钝化 174

4.7.7 断裂机制的表征 174

4.8 疲劳阻抗 176

4.8.1 疲劳阻抗的表征 176

4.8.2 环氧树脂基纳米复合材料的抗疲劳性能 177

4.9 抗磨损性能 178

参考文献 180

第5章 石墨烯／聚合物纳米复合材料的界面行为 185

5.1 概述 185

5.2 界面行为的表征技术 186

5.2.1 界面微结构的表征技术 186

5.2.2 界面力学行为的表征技术 191

5.3 石墨烯的拉曼峰行为对应变的响应 198

5.3.1 实验方法 198

5.3.2 峰频移与应变的函数关系 199

5.4 界面应力传递 202

5.4.1 Cox模型剪切-滞后理论的有效性 202

5.4.2 应变分布和界面剪切应力 203

5.4.3 最佳石墨烯尺寸 206

5.4.4 应变图 206

5.4.5 压缩负荷下的界面应力传递 207

5.4.6 最佳石墨烯片层数 209

5.5 PDMS基纳米复合材料的界面应力传递 215

5.6 氧化石墨烯纳米复合材料的界面应力传递 218

参考文献 220

第6章 石墨烯／聚合物纳米复合材料的物理性质 224

6.1 热学性质 224

6.1.1 导热性质 224

6.1.2 热稳定性 230

6.1.3 尺寸稳定性 240

6.1.4 阻燃性 240

6.2 电学性质 247

6.2.1 导电性质 247

6.2.2 介电性质 262

6.3 屏蔽性质 264

6.3.1 气体屏蔽 265

6.3.2 液体屏蔽 271

6.3.3 电磁屏蔽 271

参考文献 271

第7章 石墨烯基柔性可穿戴材料 277

7.1 引言 277

7.2 柔性传感器 277

7.2.1 测量原理及传感器形式 277

7.2.2 柔性传感器结构组成 278

7.2.3 柔性电子应变传感器的传感机制 280

7.3 石墨烯膜柔性材料的制备方法 281

7.3.1 石墨烯溶液成膜 282

7.3.2 CVD法成膜 284

7.4 石墨烯纤维 285

7.4.1 石墨烯纤维制备 286

7.4.2 石墨烯纤维的性能 291

7.5 应用 297

7.5.1 触觉传感 297

7.5.2 电子皮肤及人造肌肉 298

7.5.3 人体健康监测和医疗 302

7.5.4 表情识别 304

7.5.5 语音识别 304

7.5.6 智能服装 306

参考文献 310

第8章 陶瓷基和金属基纳米复合材料 315

8.1 概述 315

8.2 石墨烯在陶瓷基体中的分散 316

8.2.1 分散剂及其作用 316

8.2.2 超声波分散 317

8.2.3 球磨分散 319

8.2.4 搅拌分散 322

8.3 石墨烯／陶瓷复合材料粉体的制备方法 323

8.3.1 粉末工艺 323

8.3.2 胶体工艺 326

8.3.3 溶胶-凝胶工艺 326

8.3.4 聚合物衍生陶瓷 328

8.3.5 分子层级混合 330

8.4 石墨烯／陶瓷复合材料的烧结 332

8.4.1 概述 332

8.4.2 放电等离子体烧结 332

8.4.3 高频感应加热烧结 336

8.4.4 快速烧结 337

8.5 几种典型的制备方法 337

8.6 石墨烯／陶瓷复合材料的力学性能 339

8.6.1 概述 339

8.6.2 断裂韧性的表征方法 341

8.6.3 断裂韧性和增韧机制 343

8.6.4 摩擦行为 354

8.7 石墨烯／陶瓷复合材料的电学性质 358

8.8 金属基复合材料 360

8.8.1 概述 360

8.8.2 石墨烯／铜复合材料 361

8.8.3 石墨烯／铝复合材料 364

8.9 微观结构的表征方法 368

8.9.1 SEM 368

8.9.2 TEM 370

8.9.3 拉曼光谱术 372

参考文献 375