论文摘要
纳米石墨片导电性好、径厚比大,被广泛应用于聚合物基导电复合材料,将其与其它导电填料或增韧填料复合可以制备性能优良的导电聚合物复合材料。本文首先将二维的纳米石墨片（GNPs）与一维的碳纳米管复合（CNTs）制备导电聚合物复合材料,通过XRD、SEM等表征技术对填料和复合材料的微观形貌进行了分析,通过两探针法测量了复合材料的体积电阻率,详细研究了聚合物导电复合材料的导电机理和不同几何形状的填料配比对复合材料导电性的影响,分析了不同形状填料间的协同作用。在此基础上分别以GNPs为导电填料、纳米碳酸钙为增韧填料制备了环氧树脂基导电聚合物复合材料。详细考察了GNPs和纳米CaCO3的含量对复合材料的导电性及断裂韧性的影响,分析了二者的协同导电及增韧作用机制。最后我们选取不同GNPs含量的环氧树脂复合材料制备活性炭,通过SEM、TEM等技术对活性炭材料的微观形貌进行了分析,并通过循环伏安、交流阻抗等测试方法对其电化学性能进行了研究。本文首先采用溶液共混法制备了硅橡胶/GNPs复合材料,并考察了GNPs含量对其电性能的影响,研究发现随着GNPs含量的增加复合材料的导电性单调增加,在含量为3 wt.%时达到其渗滤阈值。而将GNPs和CNTs共同作为导电填料加入聚合物中时,随着导电填料中CNTs含量的增加,复合材料的导电先增加,然后在CNTs和GNPs质量比为3：7时达到极值（比硅橡胶/GNPs复合材料的电导率高了近两个数量级）,随着CNTs含量的继续增加,复合材料的导电性反而下降。这是由于CNTs分散在GNPs表面,阻止了GNPs的团聚,其自身的分散也得到提高,同时CNTs连接相隔较远的GNPs,更容易搭建成导电网络,这两种不同形状的填料在复合材料中表现出显著的协同作用,使得含两种填料的复合材料的导电性高于任意一种填料的复合材料。分别以GNPs为导电填料、纳米CaCO3为增韧填料制备了环氧树脂基导电复合材料,研究发现作为导电填料GNPs的加入可以显著提高聚合物的导电性,但是由于GNPs与聚合物基体的弱结合,导致了复合材料断裂韧性下降,纳米CaCO3虽然可以显著提高复合材料的断裂韧性,但是却无法改善复合材料的电性能。将GNPs、纳米CaCO3共同作为填料制备聚合物复合材料则可以兼顾材料的电性能和力学性能,而且二者之间具有很好的协同作用。在保持填料总含量不变时随着复合粉体中CaCO3含量的增加,复合材料的电导率先增大后减小,当CaCO3和GNPs质量比为1：9时达到极值。这说明片层结构的GNPs和球形的CaCO3之间存在很好的协同作用,加入适量的CaCO3能促GNPs的分散,提高复合材料的导电性。但是CaCO3为绝缘填料,过量的CaCO3覆盖在GNPs表面则会破坏复合材料的导电网络,从而使复合材料的导电性下降。另一方面复合材料的断裂韧性随CaCO3含量的增加单调递增,这是因为CaCO3有很好的增韧作用,复合材料中只含有CaCO3时其断裂韧性达到2.7 MN·m-3/2。将不同GNPs含量的环氧树脂/GNPs导电复合材料作为前驱体,经过碳化活化后得到活性炭材料。由于GNPs的存在,活性炭材料恒流充放电的电压降很小,随着扫速的增大,三种活性炭材料的比电容下降得皆比较缓慢,电容保持率很好,大电流密度下具有很好的电化学可逆性。而且GNPs含量越高,活性炭材料的比电容越高。