ZHAOMINGYUE 石墨烯

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2015/11/22,#,新型建筑纳米材料,石墨烯,graphene,什么是石墨烯？,是由石墨片层上的碳原子杂化后形成稳定的单层片状二维蜂窝状规则六方晶体结构，其平均厚度仅为,0.34nm,，是目前世界上已知的最薄的材料,石墨烯的性能,具有优良的力学，电学，热学性能。,单层的石墨烯具有优良的力学性质，杨氏模量达到,1100 Gpa,，断裂强度是钢铁的,100,倍，强度到达,130 Gpa,，,优异的热学性能，石墨烯的传热主要是靠声子传热，导热系数达到,5000W/(mK),，比金属高,10,倍以上,室温条件下石墨烯内部载流子可达到,15000cm,2,/(Vs),，电阻率仅有,10,6,cm,石墨烯片层结构图,目前填充方向,石墨烯作为填料,聚合物,金属，半导体（略）,非金属（,建材,）,1,、填充聚合物纳米复合材料,常用的聚合物主要有聚偏氟乙烯、聚苯乙烯 、聚乙烯醇、环氧树脂 、聚氨酯 、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸 、聚丙烯、,聚吡咯和聚噻吩,主要性能：在聚合物中填充，主要是有效提高聚合物力学性能，导电性能，热学性能。,聚合物基导电材料,Stankovich,课题组在二甲基甲酰胺,(DMF),中用异氰酸苯酯改性氧化石墨不断搅拌溶解聚苯乙烯后，采用二甲基肼对其进行还原，成功制备了分散性良好的聚苯乙烯,/,石墨烯纳米复合材料。当石墨烯的体积分数仅为,0.1%,时，,复合材料的电导率达到,510s/m,比纯聚苯乙烯提高了,9,个数量级,.,东华大学于平平釆用原位聚合方法沉积,PANI,纳米线于,RGO-F,网络结构表面,RG0-F/PANI5,中,PANI,纳米线在,RGO-F,表面均匀分布,以此为电极组装对称,超级电容器,.,其质量比电容为,725 Fg,-1,，,体积比电容为,188.5 Fcm,-3,最高能量密度和功率密度分别,15.9 Wh kg,-,和,72 kW kg,-i,，,而且具有良好的,循环稳定性,。,复合材料阻温曲线,PTC,材料的进一步改性研究,吉林大学陈英等研究了采用新型,高速机械混磨法,制备聚合物基,PTC,导电复合材料，首次系统地研究该方法对降低材料室温电阻和减小导电填料用量，以及,双填料、双基体,复合的方法探求改善复合材料,PTC,性能的非辐照交联方法。,阻燃改性材料,Han,等研究了氧化石墨和石墨烯对,聚苯乙烯,的阻燃效果，发现在相同的添加量,(5%),下，石墨烯阻燃复合材料的效率最高，热释放速率峰值 （,PHRR,）下降近,50%,。,Murariu,发现膨胀石墨的加入显著提高了,聚乳酸的热稳定性,，,TGA,分析,5%,失重温度和最大热失重温度随着膨胀石墨添加量的增加而增大，添加量为,12%,时，两者均提高,8,摄氏度，燃烧试验证明复合材料具有很好的阻燃性，膨胀石墨的加入明显降低了最大热释放速率。,纳米晶纤维素加强石墨烯,后 ，用于制备阻燃纺织品。纳米晶纤维素相当于将石墨烯改性，增加其在,聚合物纺织品,中的分散程度及性能。,纳米晶纤维素加强石墨烯图例,垂直燃烧试验,实际应用,2,、石墨烯在建材中应用,纤维增强,阻燃材料中：,相变材料中,纤维增强水泥基体,采用纤维填充可以有效减少水泥基体中的,裂纹问题,。人们已经研究过或者使用了钢纤维、碳纤维、碳纳米管、芳纶纤维等对混凝土进行增强增韧，这种方法导致了,HPC,的高成本，阻碍了,HPC,的推广应用。因此，寻求一种低成本增强增韧,HPC,的方法具有重要的理论意义和研究价值。而氧化石墨烯的出现使得低成本高效率的实现,HPC,研究现状,吕生华等人研究氧化,石墨烯掺杂水泥净浆,，发现石墨烯的掺入会降低水泥净浆流动性，但是加入减水剂可以有效改善这种现象。且可以有效提高,水泥石力学性能,。,NGO,有促使水泥水化产物尽可能的多形成晶体产物，这有助于提高混凝土的力学性能。掺入,NGO,的水泥石中晶体非常致密及微晶化，说明,NGO,对于,AFt,和,AFm,起到了晶核的作用，使其形成了细小的晶体，促进晶体的生长，同时抑制晶体的长大，从而对水泥基材料起到了增强增韧的作用。,他们还利用氧化石墨烯掺杂水泥胶砂，通过,sem,分析发现，随着石墨烯掺量的略微增加，,水泥胶砂晶体中针状、叶状等不规则晶体明显减少，而是出现了大量花苞状、多面体状紧密排列的规则晶体,。由此可见，石墨烯可以显著改善水泥胶砂中晶体形貌，促进晶体形状向着完整有序方向发展。既具有调控作用，可以作为晶体形成的,模板,。从而提高水泥胶砂力学性能。,氧化石墨烯对水泥胶砂中晶体形貌影响,不同含氧量的,RGO,对力学性能的影响,抗,冻融性测试,Fan,等的研究涉及了石墨烯水泥基复合材料的抗冻融和抗腐蚀性能试验，结果显示含有石墨烯的水泥砂浆试块经过,冻融循环后长度和质量都有所增加，但对比未添加石墨烯的试块均表现出减小的趋势,，这可能是由于石墨烯的存在使冻胀压增加。,3,、石墨烯在相变材料中的应用,相变材料的种类,无机盐类：,Na2SO410H2O,、,CH3COONa3H2O,、,CaCl26H2O,、,Na2PO412H2O.,特点：中性,价格便宜,导热系数大,储热,密 度,大无机盐类部分不溶于水导致分层过冷现象,， 物质,在冷凝点以下才,结晶,。,有机类：,正,葵,酸，十二酸，十四酸，十六酸，十八,酸,特点：固体,成型好、不易发生相分离及过冷现象、,腐 蚀,性较小、性能稳定等优点导热系数小,熔点较低,不适于高温场合中应用,且易挥发易燃烧甚至爆炸或被空气中的氧气缓慢氧,化。,复合类：？,存在的问题,有机相变材料的筛选和,改进,相变,材料封装,技术,相变,材料与,建筑材料基体复合工艺，以实现相变材料与建筑材料基体的相容性、稳定性和耐久性,存在的问题,现存问题是相变复合材料的经济性以及,PCM,与建材基体的相容性、稳定性、耐久性问题。相变复合材料的经济性问题是制约其广泛应用于建筑节能领域的障碍。,其一是相变储能建筑材料的储能可逆性和和稳定性问题，包括多次储能释能循环后储能性能的劣化、热物理性能的退化，以及相变材料与建材基体之间的相容性,其二为相变材料从基体材料中泄露出来，表现为在材料表面结霜；,其三为相变材料对基体材料的作用。包括相变材料对基体材料的腐蚀作用和在相变过程中产生的应力导致基体材料的破坏。,石墨烯在建筑相变材料中应用,相变轻质骨料后虽然其,容重、导热系数,显著,降低、比热容,显著,增大、材料,蓄热能力显著,增大，但,其强度显著,降低，混凝土,抗压强度降低至,2MPa3MPa,，,已经,不能作为承重构件材料,使用,.,加入石墨烯制备自保温内墙板。,相变,材料在建筑的应用,原理,：一类是把相变材料与建筑围护结构结合，制成相变蓄能围护结构，用于建筑物室内温度的调控。相变蓄能围护结构可以大大增加围护结构的蓄热作用，使建筑物室内和室外之间的热流波动幅度被减弱、作用时间被延迟，从而提高建筑物的温度自调节能力和改善室内环境，达到节能和舒适的目的,；,另,一类是把相变材料与大体积混凝土结合，制成相变温控混凝土，用于调整反应过程的温度。相变温控混凝土能有效降低混凝土内部温升速率、。用于,建筑节能,领域，有利于提高建筑物的热舒适性，达到节能的目的；用于大体积混凝土，有利于解决混凝土因,水泥水化,热所引起的早期开裂，改善材料耐久性,武汉,理工大学采用在保温隔热材料基体中掺入少量相变材料的方法来制备用于节能建筑外围护结构的高效节能型建筑保温隔热围护材料。掺入相变材料不仅提高了轻质材料的蓄热能力，而且改善了材料的热稳定性，提高了材料的热惰性，同时不影响材的强度、粘结能力、耐久性等性能,相变材料在建筑的应用,更多优势,石墨烯作为纳米材料填充水泥基复合材料的微孔隙，具有增强增韧的效果，从而提高混凝土强度和耐久性能。与此同时，石墨烯使水泥基复合材料,具有压敏性能,，可以作为传感器元件监测混凝土结构的受力状态和裂缝开展情况。,武汉理工大学刘衡等人利用多片层石墨烯掺杂水泥基体，分别测试其力学性能，导电性能以及压敏性能。结果发现，石墨烯的掺入可以有效地改善水泥基体复合材料的早期强度，而对于,28d,强度并无较大影响。对于导电性，少量石墨烯的掺入只是增加了复合材料基体的导电点，并没有形成导电网络，因此导电性没有显著提高（石墨烯掺量仍需进一步研究）。但是,石墨烯的引入可以有效提高 材料压敏性，即降低材料弹性模量。,