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功能碳薄膜是当今研究的热点之一,其制备方法简单易行、源材料丰富且价格低廉、容易获得,并且具有突出的综合性能,比如良好的力学性能、导电导热性能、超疏水超亲水性能、电化学性能等,能够满足不同的需求,已经成为当今材料研究领域的研究热点和发展趋势,是当今最有潜力的功能材料之一。随着工业及科技的发展,对功能碳薄膜的性能也提出了越来越高的要求。为了满足功能碳薄膜在X射线掩膜板、场效应晶体管器件、气体传感器、锂离子电池、超级电容器、光催化领域、污水治理及海水淡化方面、生物方面等领域快速发展的需求,薄膜的高性能化势在必行。因此,研究与探索功能碳薄膜高性能化的基础和理论,对于实现高性能功能碳薄膜的推广应用具有重要的指导意义。通常来说,材料的结构决定着材料的最终性能,因此,从薄膜的结构设计及调控的角度来研究优化制备功能碳薄膜对于实现其高性能化意义重大。本论文工作从功能碳薄膜的表面/界面角度出发,经研究探索功能碳薄膜的表界面和微纳结构调控等,阐明功能碳薄膜的结构-性能间内在联系,建立系列功能碳薄膜高性能化的结构模型并阐明其高性能化机制,从而为高性能化功能碳薄膜的制备奠定系列理论基础,对于实现其高性能化应用具有十分重要的指导意义。具体研究内容如下:1.基于碳纳米管增强玻璃碳(GC)基体的三维网络无缝界面原位增强结构及其力学性能研究。利用原位聚合实现修饰碳纳米管在玻璃碳前驱体聚酰亚胺基体中的均匀分散,从而构建出三维多壁碳纳米管(MWNT)网络增强的聚酰亚胺薄膜,进一步高温碳化实现自支撑的碳纳米管网络无缝界面增强的MWNT/GC复合薄膜。经碳纳米管表面修饰、原位聚合结合高温碳化来实现碳纳米管在基体中的无缝界面对接三维增强结构的构筑,从而实现复合薄膜力学性能的大幅提高。实验结果表明,5 wt.%MWNT/GC复合薄膜具有最大的三点弯曲强度以及相应的三点弯曲模量,数值分别为575.5 MPa以及7.7 GPa,与纯GC薄膜相比,分别提高了54%以及78%。基于一维碳纳米管网络均匀化及表面修饰处理实现无缝界面对接三维网络增强结构的设计及构筑方法对于制备高性能的自支撑碳薄膜具有重要的指导意义,制备的复合碳薄膜在X射线掩膜基膜等领域具有潜在的应用价值。2.基于石墨烯(rGO)增强玻璃碳薄膜的表面阵列结合体相的多级结构及其力学和超疏水性能的研究。利用原位聚合实现二维石墨烯在碳前驱体基体聚酰亚胺中的层状均匀分散结构构筑,在高温碳化过程中形成阻隔效应实现在薄膜表面碳纳米阵列的大面积均匀分布,从而实现表面阵列结合体相的多级结构的成功构筑。该多级结构具有优异的刚性结构和力学性能,三点弯曲测试表明当石墨烯的含量为0.5 wt.%时,rGO/GC复合薄膜具有最大的三点弯曲强度202.6 MPa和模量33.8 GPa,与纯GC薄膜相比,分别增长了99%和184%。并且,多级结构表面经1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷表面处理后,其表面表现出超疏水性能。该多级结构的设计对于碳薄膜材料的超亲超疏以及刚性设计具有重要的指导意义。3.基于三维石墨烯基多孔碳薄膜电极的水蒸汽可控调控技术及其电化学储能性能研究。石墨烯薄膜的结构调控优化技术对于实现高重量比容量和高体积比容量的电极至关重要。本工作提出一种高温高压下石墨烯薄膜的水蒸汽可控调控技术,对高浓度氧化石墨溶液在封闭环境中利用水蒸汽调控得到具有良好力学性能的柔性自支撑石墨烯薄膜。通过研究调节石墨烯薄膜的多孔结构,实现其最佳质量比电容值(340 F/g,1 A/g),最大面比电容值(915 mF/cm~2,1 mA/cm~2)以及最佳体积比电容值(326 F/cm~3,1 A/cm~3)。同时,利用该石墨烯薄膜为电极组装成的全固态超级电容器(SC)具有优异的质量比电容以及面比电容值。因此,关于石墨烯薄膜的水蒸汽调控技术及石墨烯薄膜对于高性能薄膜电极的制备具有重要的指导意义,在高性能柔性储能器件领域具有广阔的潜在应用价值。4.基于三维结构石墨烯/聚苯胺(rGO/PANI)复合薄膜电极的水蒸汽可控调控技术及其电化学储能性能研究。本工作提出一种高温高压下石墨烯复合薄膜的水蒸汽可控调控技术,利用水蒸汽调控技术调控制备得到独特三维结构rGO/PANI复合薄膜,完美地将PANI纤维复合到石墨烯结构中,在保留优异的导电特性的同时增加了赝电容特性,实现高比电容超级电容器的成功制备。实验结果表明,当PANI纤维含量为50%时,rGO/PANI(50%)复合薄膜电极材料的三电极测试条件下,最大比电容值为1182 F/g(1 A/g),相应组装的对称超级电容器的最大比电容值为808 F/g(1A/g),此时最大的能量密度为28.06 Wh/kg(相应的功率密度为0.25 kW/kg)。本工作采用的独特水蒸汽调控技术为制备石墨烯复合薄膜网络结构提供了一种新的、简便的方法,为能量存储领域开拓了新的发展前景。5.基于石墨烯包裹聚苯胺纤维三维一体化导电网络结构的水凝胶薄膜的设计及其电化学储能性能研究。利用原位复合技术组装制备出了高性能柔性电极材料,创新性地设计了一种优异的跨尺度三维多孔结构,由石墨烯片层包裹PANI纳米纤维的三维骨架,得到的复合薄膜具有独特的三维结构,表现出优良的力学柔性,并以此薄膜电极材料组装成高性能的全固态柔性固态超级电容器。在柔性电极薄膜中,PANI纳米纤维紧密包裹在石墨烯网络结构中,电极材料内相互连接的孔结构及其与聚合物电解质良好的相容性,都使得电子、离子能够进行迅速地传输迅速,从而使器件具有优异的电化学性能。实验结果表明,rGO-PANI(50%)复合水凝胶薄膜的最高质量比电容高达921 F/g,体积电容为391 F/cm~3。基于rGO-PANI(50%)复合水凝胶薄膜的固态SC具有211 F/g(1 A/g)的高比电容,其面比电容和体积比电容值也分别高达0.9 F/cm~2和25.6 F/cm~3。另外,SC还表现出优异的倍率性能,20 A/g下仍能保留75%的比电容值以及优异的循环稳定性,在10 A/g下经过2000个循环后电容值基本保持不变。同时,器件即使在弯曲状态下结构没有发生破坏,电化学性能也没有损失。总之,该制备方法得到的石墨烯包裹聚苯胺纤维三维一体化导电网络结构的水凝胶薄膜因其独特的网络结构,不仅避免了rGO纳米片的堆叠,而且确保导电性更优的rGO纳米片彼此完全搭接形成理想的导电网络,有效地利用了rGO纳米片的双电层电容特性以及PANI纤维的赝电容特性,得到了高比电容的薄膜电极材料,满足了高性能柔性薄膜超级电容器器件电极材料的要求,并开创了具有类似特殊结构的复合材料在储能材料方面应用的新道路。