英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
摘要
最近出现的激光诱导石墨烯（LIG）技术使智能设备的制造具有一步处理和可扩展或者可设计的功能。石墨烯纸（GP）是2D层状碳的重要结构，但从来没有通过LIG生产过。在此，报道了一种通过LIG技术生产独立式GP的新颖策略。首先确定，聚酰亚胺（PI）纸的独特空间构型对于GP的制备至关重要，而不会出现强烈的形状变形。得益于此机制，所生产的激光诱导石墨烯纸（LIGP）可折叠，修整并集成为最大尺寸为40times;35 cm 2的定制形状和结构。根据对加工，结构和属性关系的研究，可以控制和调整LIGP的各种物理和化学特性，使其对于组装柔性电子设备和智能结构（例如人体/机器人运动检测器，液体传感器，水– 油分离器，抗菌介质和阻燃/除冰/自感应复合材料）。有了主要发现，人们高度期待将LIGP升级为商业化，卷对卷制造和多学科应用。
1引言
石墨烯纸（GP）是一种具有2D层状碳的组装结构的新颖体系结构，它具有多种有趣的特性，包括自支撑性和坚固性，轻质和高孔隙率，出色的导电性和导热性等，引起了巨大的研究兴趣。多峰特性使它成为组装从传感器和能源设备到仿生支架和纳米复合材料的各种智能设备和结构的重要组成部分。GP的当前生产主要依靠溶液相组装，其中关键步骤是通过真空过滤，溶液浇铸/涂覆，逐层将氧化石墨烯（GO）纳米片从胶体分散体转变为纸状结构。 组装，液/气界面生长和电泳沉积。尽管取得了巨大进步，但上述方法仍然需要复杂的原材料合成，多步造纸成型以及诸如GO还原等后处理。这些剩余的问题限制了它们在广泛的工业应用中的成本，规模和生产可扩展性。
如Lin等人最近所证明的，激光诱导石墨烯（LIG）是一种通过对聚合物前体（例如聚酰亚胺，聚砜，聚四氟乙烯和含木质素的化合物）进行一步激光划刻来同时进行石墨烯形成和图案化的新颖策略。作为对其他激光刻划技术（例如激光还原氧化石墨烯（LRGO））的重要补充，LIG不仅省时，可扩展，可自定义形状，而且没有光掩模和印刷介质。另外，可以通过改变激光条件，气体环境，或掺杂剂来容易地控制或改善LIG的形态，性质和功能。这些独特的特性使其具有大规模生产各种智能设备的潜力，这些设备包括膜过滤器和吸附剂，微型超级电容器，光电探测器，水分解/监测设备，医疗保健和运动捕获传感器以及片上生物传感器。不幸的是，上面提到的应用程序无一例外依靠支持衬底。仍然没有出现通过LIG技术制造独立式和大型GP的现象。
为了通过简单，可扩展的过程创建一条生产独立GP的新途径，本文通过引入聚酰亚胺纸（PI纸）作为前体介质，提出了一种LIG的新策略。PI纸的决定性因素是具有自由空间的纤维网络的独特空间布置，这对于高效吸收光热能和形成石墨化结构而不会出现严重的形状变形至关重要。通过优化的协议，激光诱导石墨烯纸（LIGP）的尺寸可达40times;35 cm 2据我们所知，它是实验室中制造的最大GP之一。此外，系统地研究了加工，结构和性质之间的关系，以建议人们制备具有可调的机械，电气，压阻，焦耳加热，超电容和疏水特性的LIGP，这对于组装多功能设备和结构（例如人）非常有利/机器人运动监控，水油分离，抗菌和阻燃/除冰/自感应复合材料。考虑到快速性，成本效益，可扩展性以及灵活的，形状可定制的和可集成的特性，我们高度期望将LIGP升级用于商业化，卷对卷制造以及下一代智能设备的新颖组装。
2结果与讨论
2.1制作，表征和机理
如图 1a所示，LIGP是通过激光辐照制成的，方法是将一张商业PI纸直接转换成具有黑色LIG整个主体的独立式膜状整体。简而言之，通过计算机编程的移动平台，在环境条件下，用10.6 micro;m的CO 2激光刻划和生成逐行LIG功能，这些功能在PI纸的两侧略有重叠。在支持信息中的图S1中介绍了详细的组装方法。受处理尺寸和参数设置的限制，我们实验室中LIGP的生产效率可高达asymp;30cm 2 min -1；最大尺寸接近1400 cm 2（即40times;35 cm2），这表现在图1湾 这些在成本，速度，可扩展大小，易于操作和劳动强度方面明显显示出巨大的好处。因此，我们高度期望实验室规模的过程逐步升级为卷对卷的连续生产，以实现LIGP的未来大规模生产。该概念也包含在图1a中。
图1 LIGP的概念，准备，演示和微观结构。a）LIGP制造的示意图，包括卷对卷制造的概念。b）激光辐照系统产生的最大LIGP的照片。具有各种c）折叠外观，d）修整的形状和e）集成结构的LIGP的演示。f）在低（比例尺= 100 micro;m）和高放大倍率（插图，比例尺= 2 micro;m）下用1.25 W（LIGP-1.25）激光处理的LIGP的SEM图像。g）LIGP-1.25和原始PI纸之间的拉曼光谱（顶部）和XRD光谱（底部）比较。h）LIGP-1.25在低（比例= 100 nm）和高放大倍率（插图，比例= 5 nm）下的TEM图像
在LIG工艺之后，可以进一步设计出具有高度均匀性和完整性的LIGP，通过弯曲，折叠，修整并结合到高性能结构中来具有可定制的图案和形状。图1 c通过手动折叠，例如风车，船，和平面显示LIGP的任意形状。在大功率激光的辅助下，LIGP可以切割和修整为复杂的结构。例如，图1的左侧d显示了旋转并固定在玻璃棒上的带状结构。通过围绕固定中心点发出激光，可以实现高度可扩展的螺旋结构，其线宽窄至asymp;90micro;m，并显示在图的中部和右侧。图1 e揭示LIGP整合到各种高级结构，包括硅橡胶伸缩电子和软机器人（左上），环氧系纳米复合膜的（右上）以及纤维增强的聚合物复合材料，这些材料具有机翼状（右中）和弯曲（底部）外观。
为了表征激光诱导的结构，通过扫描电子显微镜（SEM），拉曼光谱，X射线衍射（XRD），X射线光电子能谱（XPS）检查了具有代表性的1.25 W激光（称为LIGP-1.25）处理的LIGP。 ）和透射电子显微镜（TEM）。图1 f显示LIGP的下低和高放大倍数的表面上，露出了泡沫状类似于LIG从卡普顿均匀分布的多孔形态结构。与原始的PI，图的顶部面板的特征的拉曼位移相比1 G显示突出d（asymp;1345厘米-1），G（asymp;1580厘米-1），和2D（asymp;2690厘米-1的）峰LIGP-1.25代表层状结构很少的石墨晶体的固有特征。总结了G与D的强度比（ I G / I D），用于确定平面内微晶尺寸（ L a）， 表示石墨烯形成程度高。根据分别位于2theta;= 26.3和2theta;= 43.5的强（002）和（100）峰，下部面板中显示的XRD图案证实了石墨烯的多层面内结构的存在，层间间距为0.34 nm。33XPS光谱随后证实了辐照过程后碳（从69.45％至93.16％）和降低的氧（从20.58％至4.89％）和氮（从9.97％至1.95％）显着增强。LIGP的纳米级结构由TEM图像进一步证实，如图1h，揭示了波纹状的以3.4埃的晶格空间的石墨烯片或纤维的皱结构。
鉴于我们迄今为止所取得的进步，一个特别有趣且重要的问题是：为什么PI纸可用于生产大型且机械稳定的GP，并且它比常用的PI膜（Kapton）更好？为了更好地理解该机理，我们比较研究了激光对加工过的PI纸和Kaptons的形状变形，横截面结构以及辐照/突出厚度的影响。双面照射后，图 2中的照片a表明PI纸没有严重的形状变形。相反，随着激光功率和加工尺寸的增加，Kaptons容易受到更严重的变形甚至破裂的影响。我们假设PI纸的多孔结构可能对更好地吸收和耗散热能起重要作用。证据的想法，剖面SEM（图2 b）进行了检查，发现PI的论文可以较大地保持原有尺寸，无论功率水平。相比之下，松散的LIG介质会严重地从Kapton表面突出。基于定义的辐照厚度（T IRR）和突出厚度（T PRTD）），我们进一步分析了LIGP生产的生产效率。在图2c中的汇总结果清楚地表明，PI纸始终在转换/消耗较深的原材料层（较大的TIRR），同时保持较薄的特性（较小的TPTTD）。。然后我们暂时将eta;= T PRTD / T IRR定义为质量指标。如所揭示的，PI纸的eta;保持在0.3至0.8之间的非常低的值；Kapton的eta;从1.1增加到6.5时要高得多。由于结构上的差异，可以合理地预期激光辐照的PI纸具有更好的电性能。
图2PI纸和Kapton应用于GP生产的工艺，结构和机理存在差异。a）具有不同处理能力的激光辐照（双面）PI纸和Kapton的照片。b）用1.5 W激光（比例尺= 100 micro;m）处理的LIGP-1.5和Kapton的截面SEM图像。红色虚线表示PI的原始厚度。c）比较具有不同照射深度（TIRR），突出厚度（TPRTD）及其比率（TPRTD / TIRR）的PI纸和Kapton 作为激光功率的函数。d）显示GP形成机制差异的示意图。
基于实验观察，我们将两种材料的上述影响主要归因于不同的空间布置，从而导致不同程度的温度累积，能量耗散和化学重组。为了更好地传达这个想法，图2d示意性地描绘了该机制。对于Kapton，分子链根据聚合物的模制过程紧密且均匀地堆积。结果，热能易于积聚在表面上，引起强烈的键分解，气体释放和形状变形。与纤维素纸类似，PI纸具有相当大的自由空间/空隙。照射后，激光束易于到达更深的层，以同时吸收热能。此外，独特的纤维空隙构型对于引导LIG形成填充自由空间而不是垂直生长至关重要。当然，经过特定的修改（例如，使用更薄的PI膜并优化激光），可以使用Kapton改善LIG纸的质量。
2.2激光相关结构
为了向人们提供适当的加工条件，以在没有未经处理的中间层的情况下实现机械稳定的LIGP，我们系统地研究了激光功率对横截面结构和全厚度碳分布的影响。随着功率从0.75 W逐步增加到1.5 W，图 3a显示了具有代表性的LIGP在不同放大倍数下的横截面SEM图像。与原始PI具有整个缠结纤维的主体相反，在LIGP-0.75中可以观察到夹心结构，其中两个蓬松的覆盖层之间存在较暗的镶嵌状层。当激光功率大于0.75 W时，中间层几乎无法辨认。取而代之的是，LIGP-1.0和LIGP-1.5都清楚地显示了均匀的3D多孔结构。为了进一步证明LIG的整个厚度生产，已经通过能量色散X射线光谱（EDX）检查了距横截面中心线不同距离的碳原子百分比的分布。不出所料，图3b显示基于原始十个位置的原始PI中均匀碳含量为68.4％plusmn;1.1％。相比之下，LIGP-0.75中的碳百分比始终较高，具有抛物线分布特征；随着距中心的距离增加，碳含量增加。随着激光功率的提高，碳含量（LIGP‐1.0中为85.9％plusmn;5.8％，LIGP‐1.125中为90.9％plusmn;3.6％，LIGP‐1.25中为92.5％plusmn;2.5％，LIGP‐1.5中为94.6％plusmn;1.2％）随着抛物线效应的减弱而持续增加，证实了石墨化的改善。除了EDX之外，热重分析（TGA）还通过证明延迟的分解温度（从asymp;515°C到gt; 800°C）和在800°C减少的重量（从asymp;46％到asymp;4％）来帮助确认碳含量的增加。
图3LIGP的激光功率相关结构。a）通过不同功率处理过的PI纸和LIGP的低（左，标度= 100 micro;m）和高（右，标度= 20 micro;m）放大截面SEM图像。b）在距LIGP横截面中心线垂直距离不同的位置处的碳原子百分比分布。c）SEM图像显示了通过不同功率处理的LIGP中局部结构的演变。
激光不仅控制化学成分，而且控制结构和形态。我们还证明了通过激光调谐，LIGP可以表现出不同类型的层次结构。图3 c揭示的微结构的动态演化作为激光功率的函数。在0.75 W时，部分辐照的PI纤维表面上会出现膨胀的凸点状结构，其孔径较大（gt; 5 micro;m）。我们认为这是达到聚酰亚胺碳化点的阈值功率。在1.0、1.25和1.5 W的增强功率下，原始PI光纤将完全不存在。相反，将滚动的片状结构缠绕在一起以形成类似于图1f的多孔结构。在支撑墙上，有趣的是，微孔已经从几乎不存在（1.0 W）到介孔（1.25 W）和亚微米级（1.5 W）动态增长，这大概是由气体释放和石墨化的更严格过程引起的。对于1.75和2.0W，大多数薄纳米片已经分解为随机取向和缠结的纤维。对具有不同结构的LIGP的精确控制对于在启用LIGP的设备中选择各种物理特性和性能具有指导意义。
2.3可调属性
基于对加工结构关系的理解，我们研究了具有可调特性的LIGP的各种物理和化学性质。在施加由机械试验机系列的拉伸试验，图 4总结LIGP的拉伸强度不同的激光条件下进行加工。尽管已经实现了线性下降的趋势，但拉伸强度从15.46 MPa（LIGP-0.75）到3.54 MPa（LIGP-1.25），证实了机械强度以及从致密到松散的各种微观结构。根据机械性能，可变密度范围为0.3到0.5 g cm -3可以理解，它可以与其他低密度材料相媲美，例如包装泡沫和纤维素气凝胶。归因于鲁棒性和重量轻，该LIGP是有希望的用于结构的集成而不降低主机。图S18b（支持信息）比较了原始聚合物复合材料和具有相同大小的LIGP的复合结构之间的应力-应变曲线。没有发现明显的机械降解。
图4LIGP的可调节物理和化学性质。激光功率取决于a）密度和拉伸强度，b）薄层电阻和电导率以及c）LIGP的压电敏感性。d）LIGP的焦耳加热温度和红外照射作为输入功率的函数，以及用于固化聚合物复合材料（插图）的函数。e）在不同的扫描速率和电流密度下测试的基于LIGP的微型超级电容器的CV（顶部）和CC（底部）行为。f）在空气和氩气气氛下处理的PI纸和LIGP之间的水接触角比较。
除了机械特性，图4（b）所示的薄层电阻和导电性作为激光功率的函数。当从0.875 W增加到1.375 W时，LIGP的薄层电阻从每平方
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[238171]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
