石墨在机械剥离过程中的力学性能研究及石墨烯的连续稳定化制备

石墨烯的大规模制备方法一直未能被突破是限制其优异的物理、化学和力学性能应用于现代科学与工业的重要因素。石墨片层的剥离、断裂和团聚共同决定了石墨烯制备方法的产量和质量。因此,石墨在剥离过程中的力学性能研究对大规模制备石墨烯具有重要价值。通过研究机械剥离过程中石墨结构的粒度和厚度分布变化关系,建立了石墨结构在剥离过程中的能量交互模型；通过表征超细天然石墨在无分散剂环境中利用机械剥离法制备石墨烯溶液过程中的结构变化,并基于能量交互模型,计算了石墨在机械剥离过程中(1)剥离石墨的范德华能、(2)片状石墨断裂的共价键能、(3)片层间的团聚势能和(4)片状结构间的团聚势能。结合实验结果表明石墨片层剥离和片状断裂使层间和片状间接触面积被释放,使团聚能被激活并不断增大；石墨片层变化释放的团聚能是消耗的剥离能的4倍,层间剥离能与平面断裂能相差两个数量级。再次,基于石墨剥离与团聚力学性能的研究,本文进一步地提出了连续性稳定分散状态下制备石墨烯的方法。该方法使石墨在剥离过程中连续保持最佳分散状态,使制备的石墨烯含量大大提升。石墨结构在剥离过程中的能量交互研究对其力学性能分析和大规模制备高径厚比的石墨烯具有实际意义。