層狀鉬化合物納米復(fù)合材料的氫氣氣敏和應(yīng)變特性研究

層狀鉬化合物納米復(fù)合材料的氫氣氣敏和應(yīng)變特性研究燃料貯箱作為航天器低溫推進(jìn)系統(tǒng)中所占重量和體積最大的部件,其輕量化水平?jīng)Q定著航天器的主要性能指標(biāo)。發(fā)展復(fù)合材料燃料貯箱是未來航天器低溫推擠系統(tǒng)研究的重要方向。復(fù)合材料貯箱的研制涉及到多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。貯箱的無損檢測(cè)與健康監(jiān)測(cè)技術(shù)便是其中的重要內(nèi)容。為了保障復(fù)合材料貯箱的安全使用和考慮到燃料滲漏帶來的危害性,需要進(jìn)一步完善其無損檢測(cè)與健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。層狀納米材料包括石墨烯、過渡金屬二硫化物、過渡金屬氧化物等優(yōu)異的光、電、力學(xué)等特性,使得它們具備了廣泛的潛在應(yīng)用前景。世界范圍內(nèi)也掀起了層狀納米材料的研究熱潮。在復(fù)合材料方面,層狀納米材料已可以用于導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐磨、吸波復(fù)合材料等。進(jìn)一步探究層狀納米材料在復(fù)合材料方面的應(yīng)用,是復(fù)合材料研究的一大熱點(diǎn)。本論文針對(duì)復(fù)合材料貯箱研發(fā)過程中的滲漏監(jiān)測(cè)和應(yīng)變無損檢測(cè)兩大關(guān)鍵問題,從MoO₃和MoS₂這兩種層狀鉬化合物出發(fā)開展探索研究。針對(duì)液氫燃料貯箱潛在的H₂滲漏問題,制備了MoO₃-x量子點(diǎn)和Pd/MoO₃納米復(fù)合材料這兩種H₂氣敏材料,研究了它們?cè)谑覝叵碌腍₂氣敏性能,闡述了氣敏性能提升機(jī)理,并指出了這兩種氣敏材料未來在復(fù)合材料液氫貯箱滲漏檢測(cè)方面的應(yīng)用前景。針對(duì)復(fù)合材料的無損應(yīng)變檢測(cè)問題,制備了超薄MoS₂納米片及其樹脂基復(fù)合材料,研究了單軸拉伸作用下復(fù)合材料中MoS₂納米片的特征Raman峰隨基體應(yīng)變的遷移特性,指出了其在復(fù)合材料構(gòu)件無損應(yīng)變傳感方面的應(yīng)用前景。依據(jù)減小氣敏材料晶粒尺寸可顯著提升氣敏性能的原理,本論文首先通過插層熱剝離和光化學(xué)方法將層狀MoO₃塊體材料剝離制備成其相應(yīng)的MoO₃-x量子點(diǎn)納米顆粒,然后以該量子點(diǎn)作為H₂氣敏材料,研究了室溫下的H₂氣敏傳感性能。插層熱剝離方法通過氫鍵作用將正丁胺插入MoO₃層間,利用高溫下正丁胺熱分解產(chǎn)生的瞬時(shí)高壓將MoO₃片層有效剝離,同時(shí)在片層結(jié)構(gòu)中引入缺陷,通過超聲作用進(jìn)一步分散制得量子點(diǎn)。光化學(xué)法利用UV光照下溶液中H+插層導(dǎo)致的片層晶格扭曲和光空穴積聚導(dǎo)致的光腐蝕作用刻蝕MoO₃納米片,制備相應(yīng)量子點(diǎn)。平均粒徑為3.8nm的MoO₃-x量子點(diǎn)在室溫下對(duì)于1000ppm濃度H₂氣體的傳感靈敏度為9.02,響應(yīng)和回復(fù)時(shí)間分別為64s和71s,較MoO₃納米片薄膜的氣敏性能顯著提升。依據(jù)貴金屬Pd對(duì)H₂的解離吸附作用可有效提升氣敏傳感性能的原理,分別通過光化學(xué)還原法和原位還原法制備了Pd納米顆粒修飾MoO₃納米片復(fù)合材料,并研究了該納米復(fù)合材料的室溫H₂氣敏性能。光化學(xué)還原法可以有效將Pd納米顆粒修飾在MoO₃納米片表面,而且以其制備的Pd納米顆粒較原位還原法修飾的Pd納米顆粒尺寸更為均勻,也更易通過調(diào)整光照時(shí)間來調(diào)控Pd納米粒子的尺寸。Pd/MoO₃納米復(fù)合材料在室溫下對(duì)1000ppm濃度的H₂氣體的傳感靈敏度為12.48,響應(yīng)時(shí)間為24s。另外,該納米復(fù)合材料在H₂環(huán)境下重復(fù)變色效果顯著。未來,可進(jìn)一步利于該納米復(fù)合材料的光學(xué)信號(hào)進(jìn)行H₂氣敏傳感,利于復(fù)合材料液氫貯箱的滲漏檢測(cè)。依據(jù)外力作用下MoS₂納米片的Raman特征峰位可發(fā)生遷移的特性,首先高效制備了MoS₂納米片,然后將其添加進(jìn)樹脂中制備復(fù)合材料薄膜,研究單軸拉伸下復(fù)合材料薄膜中MoS₂納米片的Raman特征峰偏移來反饋復(fù)合材料軸向應(yīng)變。液相剝離法雖可以大量制備MoS₂納米片,但是以其制得的納米片尺寸和厚度可控性稍差。而通過調(diào)控氧化劑用量,可以將液相剝離的MoS₂納米片進(jìn)一步化學(xué)剝離,制得超薄的納米片。將化學(xué)剝離的MoS₂納米片與PDMS復(fù)合,制備復(fù)合材料。在單軸拉伸作用下,復(fù)合材料中的納米片的Raman特征峰可以發(fā)生顯著的偏移,且夾層沉積的納米片較表層沉積的納米片的特征峰應(yīng)變遷移率更大,E12g峰的遷移率為-0.6