γ輻射對石墨烯材料的影響分析

γ輻射對石墨烯材料的影響分析-PAGEII--PAGEI--PAGEII-本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）論文題目：γ輻射對石墨烯材料的影響分析

摘要隨著科技的發(fā)展，越來越多性能優(yōu)異的材料被發(fā)現(xiàn)，并且應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。石墨烯就是其中一種具有優(yōu)異性能的材料，由于獨(dú)特的光電性能，優(yōu)異的機(jī)械性能和高的比表面積，石墨烯有著非常廣泛的應(yīng)用，例如在航天領(lǐng)域中石墨烯也有很大作用。本文就是探究模擬航天條件下客觀因素對石墨烯材料的性能影響，主要探究分析γ射線對石墨烯材料的影響分析，從而使得石墨烯能夠發(fā)揮更大的作用。關(guān)鍵詞：γ輻射；石墨烯論文類型：實(shí)驗(yàn)性-PAGEIII-AbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnology,moreandmorematerialswithexcellentperformancehavebeendiscoveredandappliedtovariousfields.Grapheneisoneofthematerialswithexcellentproperties,duetotheuniquephotoelectricproperties,excellentmechanicalpropertiesandhighspecificsurfacearea,graphenehasaverywiderangeofapplications,suchasintheaerospacefieldgraphenealsohasagreatrole.Thispaperistoexploretheinfluenceofobjectivefactorsonthepropertiesofgraphenematerialsundersimulatedaerospaceconditions,andtoexploreandanalyzetheinfluenceofγraysongraphenematerials,sothatgraphenecanplayagreaterrole.Key

Words:γ-radiation;graphene;Papertype:experimental目錄TOC\o"1-4"\h\z\u摘要 IAbstract II目錄 III1緒論 21.1石墨烯材料簡介 21.1.1石墨烯材料的制備方法 21.1.2石墨烯材料的應(yīng)用 41.1.3石墨烯材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用 61.2輻射效應(yīng)研究現(xiàn)狀 71.2.1輻射效應(yīng)簡介 71.2.2γ輻射效應(yīng)對材料的影響作用 81.3研究目的和內(nèi)容 91.3.1研究目的 91.3.2研究內(nèi)容 92γ-射線對石墨烯材料的影響 112.1實(shí)驗(yàn)材料選取 112.2實(shí)驗(yàn)參數(shù)選取 122.3γ-輻射對石墨烯材料的影響分析 122.3.1拉曼分析 122.3.2電阻分析 133結(jié)論與展望 14參考文獻(xiàn) 15致謝 16γ輻射對石墨烯材料的影響分析-PAGE18--PAGE2-1緒論1.1石墨烯材料簡介石墨烯（Graphene）是一種以sp2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材料，石墨烯的原子結(jié)構(gòu)如圖所示。石墨烯憑借其獨(dú)特的光電效能，優(yōu)異的機(jī)械性能和高的比表面積，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來革命性的材料。英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機(jī)械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯常見的粉體生產(chǎn)的方法為機(jī)械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，薄膜生產(chǎn)方法為化學(xué)氣相沉積法（CVD）。圖1.1石墨烯的原子結(jié)構(gòu)示意圖1.1.1石墨烯材料的制備方法實(shí)際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆（AndreGeim）和康斯坦丁·諾沃消洛夫（KonstantinNovoselov）發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。他們共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，石墨烯常見的粉體生產(chǎn)的方法為機(jī)械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，薄膜生產(chǎn)方法為化學(xué)氣相沉積法（CVD）。（1）機(jī)械剝離法石墨是許多石墨烯片的堆疊層，通過范德華力結(jié)合在一起。因此，在原則上使用機(jī)械或化學(xué)能量來破壞這些鍵就能從石墨中分離出單獨(dú)的石墨烯片。這種方法操作簡單，得到的石墨烯通常保持有完整的晶體結(jié)構(gòu)。2004年，英國兩位科學(xué)家使用透明膠帶對天然石墨進(jìn)行層層剝離取得石墨烯的方法，也歸為機(jī)械剝離法，這種方法一度被認(rèn)為生產(chǎn)效率低，無法工業(yè)化量產(chǎn)。這種方法可以制備微米大小的石墨烯，但是其可控性較低，無法實(shí)現(xiàn)大尺寸，大規(guī)模合成。（2）氧化還原法氧化還原法是通過使用硫酸、硝酸等化學(xué)試劑及高錳酸鉀、雙氧水等氧化劑將天然石墨氧化，增大石墨層之間的間距，在石墨層與層之間插入氧化物，制得氧化石墨（GraphiteOxide）。然后將反應(yīng)物進(jìn)行水洗，并對洗凈后的固體進(jìn)行低溫干燥，制得氧化石墨粉體。通過物理剝離、高溫膨脹等方法對氧化石墨粉體進(jìn)行剝離，制得氧化石墨烯。最后通過化學(xué)法將氧化石墨烯還原，得到石墨烯（RGO）。這種方法操作簡單，產(chǎn)量高，但是產(chǎn)品質(zhì)量較低。氧化還原法使用硫酸、硝酸等強(qiáng)酸，存在較大的危險(xiǎn)性，又須使用大量的水進(jìn)行清洗，帶大較大的環(huán)境污染。使用氧化還原法制備的石墨烯，含有較豐富的含氧官能團(tuán)，易于改性。但由于在對氧化石墨烯進(jìn)行還原時(shí)，較難控制還原后石墨烯的氧含量，同時(shí)氧化石墨烯在陽光照射、運(yùn)輸時(shí)車廂內(nèi)高溫等外界每件影響下會(huì)不斷的還原，因此氧化還原法生產(chǎn)的石墨烯逐批產(chǎn)品的品質(zhì)往往不一致，難以控制品質(zhì)。（3）取向附生法取向附生法是利用生長基質(zhì)原子結(jié)構(gòu)“種”出石墨烯，首先讓碳原子在1150℃下滲入釕，然后冷卻，冷卻到850℃后，之前吸收的大量碳原子就會(huì)浮到釕表面，最終鏡片形狀的單層的碳原子會(huì)長成完整的一層石墨烯。第一層覆蓋后，第二層開始生長。底層的石墨烯會(huì)與釕產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，而第二層后就幾乎與釕完全分離，只剩下弱電耦合。但采用這種方法生產(chǎn)的石墨烯薄片往往厚度不均勻，且石墨烯和基質(zhì)之間的黏合會(huì)影響碳層的特性。（4）碳化硅外延法SiC外延法是通過在超高真空的高溫環(huán)境下，使硅原子升華脫離材料，剩下的C原子通過自組形式重構(gòu)，從而得到基于SiC襯底的石墨烯。這種方法可以獲得高質(zhì)量的石墨烯，但是這種方法對設(shè)備要求較高。（5）赫默法通過Hummer法制備氧化石墨；將氧化石墨放入水中超聲分散，形成均勻分散、質(zhì)量濃度為0.25g/L～1g/L的氧化石墨烯溶液，再向所述的氧化石墨烯溶液中滴加質(zhì)量濃度為28%的氨水；將還原劑溶于水中，形成質(zhì)量濃度為0.25g/L～2g/L的水溶液；將配制的氧化石墨烯溶液和還原劑水溶液混合均勻，將所得混合溶液置于油浴條件下攪拌，反應(yīng)完畢后，將混合物過濾洗滌、烘干后得到石墨烯。（6）化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法即（CVD）是使用含碳有機(jī)氣體為原料進(jìn)行氣相沉積制得石墨烯薄膜的方法。[1]這是生產(chǎn)石墨烯薄膜最有效的方法。這種方法制備的石墨烯具有面積大和質(zhì)量高的特點(diǎn)，但現(xiàn)階段成本較高，工藝條件還需進(jìn)一步完善。由于石墨烯薄膜的厚度很薄，因此大面積的石墨烯薄膜無法單獨(dú)使用，必須附著在宏觀器件中才有使用價(jià)值，例如觸摸屏、加熱器件等。

低壓氣相沉積法是部分學(xué)者使用的，其將單層石墨烯在Ir表面上生成，通過進(jìn)一步研究可知，這種石墨烯結(jié)構(gòu)可以跨越金屬臺(tái)階，連續(xù)性的和微米尺度的單層碳結(jié)構(gòu)逐漸在Ir表面上形成。

毫米量級的單晶石墨烯是利用表面偏析的方法得到的。厘米量級的石墨烯和在多晶Ni薄膜上外延生長石墨烯是由部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)的，在1000℃下加熱300納米厚的Ni膜表面，同時(shí)在CH4氣氛中進(jìn)行暴露，經(jīng)過一段時(shí)間的反應(yīng)后，大面積的少數(shù)層石墨烯薄膜會(huì)在金屬表面形成。1.1.2石墨烯材料的應(yīng)用由于具有優(yōu)異的電學(xué)，光電和化學(xué)性質(zhì)，石墨烯已經(jīng)在集成電路，晶體管，透明導(dǎo)電電極等方面有著廣泛的應(yīng)用。（1）集成電路石墨烯具備作為優(yōu)秀的集成電路電子器件的理想性質(zhì)：高載流子遷移率以及低噪聲。2011年，IBM成功創(chuàng)造了第一個(gè)石墨烯為基礎(chǔ)的集成電路-寬帶無線混頻器，電路處理頻率高達(dá)10GHz，其性能在高達(dá)127℃的溫度下不受影響。石墨烯納米帶具有高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率、低噪聲的特點(diǎn)，是集成電路互連材料的一種選擇，有可能替代銅金屬。有些研究者試著用石墨烯納米帶來制成量子點(diǎn)，他們在納米帶的某些特定位置改變寬度，形成量子禁閉（quantumconfinement）。石墨烯納米帶的低維結(jié)構(gòu)具有非常重要的光電性能：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和寬帶光增益。這些優(yōu)良品質(zhì)促使石墨烯納米帶放在微腔或納米腔體中形成激光器和放大器。研究表明可將石墨烯納米帶應(yīng)用于光通信系統(tǒng)，發(fā)展石墨烯納米帶激光器。（2）石墨烯晶體管2005年，Geim研究組與Kim研究組發(fā)現(xiàn)，室溫下石墨烯具有10倍于商用硅片的高載流子遷移率，并且受溫度和摻雜效應(yīng)的影響很小，表現(xiàn)出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性（300K下可達(dá)0.3m），這是石墨烯作為納電子器件最突出的優(yōu)勢，使電子工程領(lǐng)域極具吸引力的室溫彈道場效應(yīng)管成為可能。較大的費(fèi)米速度和低接觸電阻則有助于進(jìn)一步減小器件開關(guān)時(shí)間，超高頻率的操作響應(yīng)特性是石墨烯基電子器件的另一顯著優(yōu)勢。在現(xiàn)代技術(shù)下，石墨烯納米線可以證明一般能夠取代硅作為半導(dǎo)體。（3）透明導(dǎo)電電極石墨烯良好的電導(dǎo)性能和透光性能，使它在透明電導(dǎo)電極方面有非常好的應(yīng)用前景。觸摸屏、液晶顯示、有機(jī)光伏電池、有機(jī)發(fā)光二極管等等，都需要良好的透明電導(dǎo)電極材料。特別是，石墨烯的機(jī)械強(qiáng)度、柔韌性以及透光性優(yōu)于常用材料氧化銦錫。通過化學(xué)氣相沉積法，可以制成大面積、連續(xù)的、透明、高電導(dǎo)率的少層石墨烯薄膜，主要用于光伏器件的陽極，并得到高達(dá)1.71%能量轉(zhuǎn)換效率；與用氧化銦錫材料制成的元件相比，大約為其能量轉(zhuǎn)換效率的55.2%。（4）導(dǎo)熱材料/熱界面材料研究表明，室溫下石墨烯的熱導(dǎo)率（K）已超越塊體石墨（2000W/m?K）、碳納米管（3000~3500W/m?K）和鉆石等同素異形體的極限，達(dá)到5300W/m?K，遠(yuǎn)超銀（429W/m?K）和銅（401W/m?K）等金屬材料。優(yōu)異的導(dǎo)熱和力學(xué)性能使石墨烯在熱管理領(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿?，石墨烯基薄膜可作為柔性面向散熱體材料，滿足LED照明、計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星電路、激光武器、手持終端設(shè)備等高功率、高集成度系統(tǒng)的散熱需求。這些研究成果為結(jié)構(gòu)/功能一體化的炭/炭復(fù)合材料的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)全新視角。（5）傳感器石墨烯獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)使它在傳感器領(lǐng)域具有光明的應(yīng)用前景。巨大的表面積使它對周圍的環(huán)境非常敏感，即使是一個(gè)氣體分子吸附或釋放都可以檢測到。這檢測目前可以分為直接檢測和間接檢測。通過穿透式電子顯微鏡可以直接觀測到單原子的吸附和釋放過程。通過測量霍爾效應(yīng)的方法可以間接檢測單原子的吸附和釋放過程。當(dāng)一個(gè)氣體分子被吸附于石墨烯表面時(shí)，吸附位置會(huì)發(fā)生電阻的局域變化。當(dāng)然，這種效應(yīng)也會(huì)發(fā)生于別種物質(zhì)，但石墨烯具有高電導(dǎo)率和低噪聲的優(yōu)良品質(zhì)，能夠偵測這微小的電阻變化。（6）超級電容器與鋰離子電池由于石墨烯具有特高的表面面積對質(zhì)量比例，石墨烯可以用于超級電容器的導(dǎo)電電極。科學(xué)家認(rèn)為這種超級電容器的儲(chǔ)存能量密度會(huì)大于現(xiàn)有的電容器。由于良好的導(dǎo)電性和巨大的比表面積，石墨烯可在鋰離子電池中有廣泛的應(yīng)用：可直接作為鋰離子電池負(fù)極，也可與SnO2、Si等材料復(fù)合作為鋰離子電池的負(fù)極。石墨烯的修飾可有效縮短鋰離子電池的充電時(shí)間并增加鋰離子電池的功率密度。（7）太陽能電池作為有機(jī)太陽能電池(OPV電池的重要材料，石墨烯/聚合物片材已被生產(chǎn)，大小范圍在150平方厘米。這有可能運(yùn)行能覆蓋廣泛的地區(qū)的廉價(jià)太陽能電池。2010年，首次構(gòu)建了石墨烯與硅結(jié)合的新型太陽能電池。在這種簡易的石墨烯/硅模型中，石墨烯不僅可以作為透明導(dǎo)電薄膜，還可以界面處分離光生載流子。這種可以與傳統(tǒng)硅材料結(jié)合的結(jié)構(gòu)，為推動(dòng)基于石墨烯的光伏器件開辟了新的研究方向。（8）石墨烯生物器件由于石墨烯的可修改化學(xué)功能、大接觸面積、原子尺吋厚度、分子閘極結(jié)構(gòu)等等特色，應(yīng)用于細(xì)菌偵測與診斷器件，石墨烯是個(gè)很優(yōu)良的選擇?？茖W(xué)家希望能夠發(fā)展出一種快速且便宜的快速電子DNA定序科技。它們認(rèn)為石墨烯是一種具有這潛能的材料?；径?，他們想要用石墨烯制成一個(gè)尺寸大約為DNA寬度的納米洞，讓DNA分子游過這納米洞。由于DNA的四個(gè)堿基（A、C、G、T）會(huì)對于石墨烯的電導(dǎo)率有不同的影響，只要測量DNA分子通過時(shí)產(chǎn)生的微小電壓差異，就可以知道到底是哪一個(gè)堿基正在游過納米洞。（9）石墨烯感光元件新加坡南洋理工大學(xué)研發(fā)出了一個(gè)以石墨烯作為感光元件材質(zhì)的新型感光元件，可望透過其特殊結(jié)構(gòu)，讓感光元件感光能力比起傳統(tǒng)CMOS或CCD要好上1,000倍，而且損耗的能源也僅需原本的1/10。與許多新的感光元件技術(shù)相同，這項(xiàng)技術(shù)初期將率先被應(yīng)用在監(jiān)視器與衛(wèi)星影像領(lǐng)域之中。1.1.3石墨烯材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用石墨烯的很多優(yōu)異的性能都已經(jīng)在新型航天材料研發(fā)的過程中體現(xiàn)出來。比如在抗原子氧剝蝕性能方面，通過模擬得出石墨烯與原子氧反應(yīng)后形成需要比6eV高的能量才能夠分解環(huán)氧鍵，而原子氧只有5eV左右的能量，無法破壞環(huán)氧鍵。所以石墨烯與原子氧反應(yīng)后并沒有損失掉，而是在材料表面形成了一層保護(hù)膜，這層保護(hù)膜使膜下的基體材料不再被繼續(xù)侵蝕，從而阻礙原子氧進(jìn)一步和基體材料反應(yīng)。因此石墨烯具有優(yōu)異的抗氣體滲透性和有效阻擋氣體尤其是原子氧透過的特性，可以通過與原子氧形成穩(wěn)定的環(huán)氧鍵的方式，作為添加劑改善基體材料的抗原子氧剝蝕性來顯著提高復(fù)合材料的抗原子氧剝蝕性能。在電學(xué)性能方面，目前在有機(jī)太陽能電池中應(yīng)用最廣泛的受體材料主要是富勒烯及其衍生物，其中6,6一苯基C61丁酸甲酯(PCBM)性能最為優(yōu)異。使用也最為廣泛，但存在很多問題，而石墨烯不僅解決了這一問題，而且還能使電導(dǎo)率進(jìn)一步提高。石墨烯具有良好的電學(xué)性能，其超高的載流子遷移率和二維結(jié)構(gòu)非常適合作為太陽能電池中的受體材料，而且在加工時(shí)易和給體材料相分離，最終形成給體受體互穿的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。石墨烯可作為透明電極、受體材料、對電極材料并且應(yīng)用于太陽能電池中以此來提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。在摩擦學(xué)性能方面，將擁有低層間剪切力和高承載能力的石墨烯添加到傳統(tǒng)潤滑材料中制備的新型類金剛石/離子液體/石墨烯復(fù)合空間潤滑材料，不但摩擦因數(shù)極低而且還具有抗原子氧和紫外輻照性能。此外石墨烯在熱電材料、氣體傳感器、宇航服、空間站水處理、航天蓄電設(shè)備、航天熱控材料等航天領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景，因此未來我們有必要在研發(fā)高可靠性、長壽命新型航天材料時(shí)，更多的應(yīng)用石墨烯這種潛力巨大的新型材料。然而隨著技術(shù)進(jìn)步，發(fā)展的需要，對于石墨烯應(yīng)用于航天領(lǐng)域有了更高的要求，由于地面條件和航天條件有很多不同，石墨烯材料應(yīng)用在航天領(lǐng)域時(shí)會(huì)經(jīng)受各種影響，因此需要在地面類似條件下進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，考察在空間環(huán)境中石墨烯材料的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。1.2輻射效應(yīng)研究現(xiàn)狀1.2.1輻射效應(yīng)簡介空間輻射物理及應(yīng)用主要研究航天器的輻射效應(yīng)以及提高其可靠運(yùn)行能力的理論與關(guān)鍵技術(shù),是涉及核科學(xué)與宇航電子學(xué)的交叉學(xué)科,主要包括空間輻射環(huán)境模擬、輻射測量、輻射效應(yīng)與加固等?？臻g輻射損傷效應(yīng)是影響航天器在軌正常運(yùn)行的因素之一。國際上，美俄等航天大國在空間輻射方面遙遙領(lǐng)先，我國經(jīng)過幾十年的研究，取得了大量的研究成果。未來航天領(lǐng)域?qū)Σ牧掀骷囊笤絹碓礁?，出現(xiàn)了很多新的輻射，有待我們?nèi)パ芯拷鉀Q?？臻g輻射環(huán)境主要包括地球輻射帶、太陽宇宙線、銀河宇宙線等（圖2）,與太陽活動(dòng)及地磁活動(dòng)密切相關(guān),不同軌道航天器工作的輻射環(huán)境差異很大。從20世紀(jì)60年代開始,國外通過對空間輻射環(huán)境的測量分析,發(fā)展了AP1-AP8,AE1-AE8等系列化的地球輻射帶環(huán)境模型,2012年美國多家機(jī)構(gòu)聯(lián)合編制了最新的AP9/AE9模型,雖然在模型上有所突破,但還不能準(zhǔn)確計(jì)算空間輻射帶環(huán)境,如計(jì)算的某些軌道電子通量和質(zhì)子通量的偏差還很大.目前在空間輻射環(huán)境方面,重點(diǎn)需要準(zhǔn)確給出空間不同軌道輻射環(huán)境分布及隨時(shí)間的變化規(guī)律,提高太陽質(zhì)子事件預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性,加強(qiáng)航天器內(nèi)部輻射環(huán)境測量研究等。.(a)銀河宇宙線粒子能譜(b)GEO軌道粒子能譜圖3.1銀河宇宙線和GEO軌道粒子能譜為研究空間輻射環(huán)境對航天器的損傷原理,準(zhǔn)確評估抗輻射加固性能,使材料器件可以在航天環(huán)境中得到好的應(yīng)用，就需要在地面的實(shí)驗(yàn)室里模擬出差不多相同的空間輻射環(huán)境.目前主要的空間輻射環(huán)境模擬裝置是各種類型的加速器、反應(yīng)堆、同位素源等。但這些模擬裝置很多是通用裝置,需要依據(jù)空間輻射環(huán)境參數(shù)開展專門研究,以滿足輻射效應(yīng)研究要求。1.2.2γ輻射效應(yīng)對材料的影響作用（1）γ-射線輻照法的原理γ-射線輻照法是近幾年興起的一種溫和的制備方法，[2]其基本原理是在室溫下γ-射線可以輻解水分子生成一系列具有化學(xué)反應(yīng)活性的自由基和分子(~100ns內(nèi)，每吸收單位的輻射能量，化學(xué)反應(yīng)活性物質(zhì)的產(chǎn)率；μmolJ-1)，反應(yīng)式如下：H?0→·OH(0.26)，·e(0.26)，·H(0.06),H?(0.045)，H,0?(0.075)。H*(0.26)這些化學(xué)反應(yīng)活性物質(zhì)的產(chǎn)率非常高，特別是對于自由基，如具有還原作用的水合電子(·eaq)和具有氧化性的氫氧自由基(·0H)，這樣高的產(chǎn)率不可能通過熱處理過程得到。因此，γ-射線輻射是獲得這些具有化學(xué)反應(yīng)活性自由基和分子的最為有效的方法。水合電子的電勢為-2.77V(相對標(biāo)準(zhǔn)氫電極)，這么負(fù)的電位可以將具有較正氧化還原電位的材料如金屬鹽溶液還原。由于具有化學(xué)反應(yīng)活性的自由基和分子的產(chǎn)率密度較高，且活性粒子在溶液中均勻分散，這為促進(jìn)均勻地高活性反應(yīng)提供了理想的條件。輻射誘導(dǎo)的氧化或還原產(chǎn)物因與反應(yīng)物的溶解度差別很大，則可以形成固態(tài)產(chǎn)物。而迅速的凝聚可以使成核位點(diǎn)均勻地分布在產(chǎn)物上可繼續(xù)沉積，生長成更大尺寸的顆粒。由于大量的成核位點(diǎn)同時(shí)且均勻地產(chǎn)生，所以該方法可以形成尺寸較窄而均勻分布的納米顆粒。由于放射分解產(chǎn)生的自由基的強(qiáng)氧化或還原作用和納米顆粒產(chǎn)物的窄尺寸和分布均勻的特性，該原理已被應(yīng)用于從金屬離子的溶解鹽中制備貴金屬納米顆粒(銀和金)和過渡金屬氧化物。（2）γ-射線輻照法在材料制備中的應(yīng)用γ-射線輻照法具有以下優(yōu)勢：1)在常溫常壓下進(jìn)行；2)沒有額外還原劑或氧化劑的加入；3)自由基的產(chǎn)率高；4)反應(yīng)物如貴金屬和過渡金屬氧化物顆粒的尺寸較窄且分布均勻。鑒于上述優(yōu)勢，γ-射線輻照法引起了科研工作者的廣泛關(guān)注。JacquelineBelloni等人通過γ-射線適當(dāng)條件下將溶液中的多種離子前體還原為相應(yīng)的金屬簇，如金、銀、銅、鎳以及雙金屬簇，并闡述了顆粒的成核和生長。SatoshiSeino等人通過y-射線輻照法制備了有磁性的Au/y-FezO復(fù)合材料，~5nm的金納米顆粒均勻地負(fù)載在20-nmAu/y-Fe2O上。Wren等人將FeSO4的水溶液中的空氣去除，經(jīng)過γ-射線輻照形成尺寸均勻的γ-FeOOH的膠體顆粒。在較短的照射時(shí)間下，或在初始Fe2*濃度低的溶液中，形成尺寸小于10nm的球形顆粒。輻照時(shí)間延長，這些初級粒子生長形成樹枝狀的結(jié)構(gòu)，顆粒的最終尺寸為~60nm，尺寸分布非常窄。進(jìn)一步長時(shí)間的照射不會(huì)改變?chǔ)?FeOOH的膠體顆粒最終的粒度。窄尺寸分布?xì)w因于可溶性Fe2+到相對不溶的Fe3*氫氧化物[Fc(H:O)6(OH)的快速均勻的氧化,導(dǎo)致通過自發(fā)縮合的顆粒成核。然后這些一次粒子生長成具有樹枝狀結(jié)構(gòu)的γ-FeOOH顆粒。Wren等人還報(bào)道了有關(guān)于CoSOg溶液在γ-射線輻照下形成納米級Co3O4膠體顆粒的研究，以5.5kGyh-1的吸收劑量率播照pH為6.0和10.6(飽和空氣和氬氣氛)的0.2-0.3mM的CoSOg溶液。測量所得到的溶液中的H2，HO2，Co(I)和Co(III)物質(zhì)的濃度以及形成的顆粒的化學(xué)組成和尺寸作為照射時(shí)間的函數(shù)。僅在飽和空氣下pH值為10.6的CoSO4溶液可以觀察到顆粒形成。由函數(shù)的分析可知，顆粒從Co(OH)?氧化到CoOOH(100分鐘內(nèi)完成)，最后形成顆粒的化學(xué)成分通過XPS，拉曼和UV-Vis光譜鑒定為Co3O4。透射電子顯微鏡圖像顯示最終顆粒的尺寸近似均勻，范圍為8-20nm。Li等人在氮?dú)夥障峦ㄟ^γ-射線輻照GO的乙醇/水溶液使之還原為石墨烯。通過UV-Vis，XPS，F(xiàn)T-IR光譜和元素分析，所得到的rGO純度較高，且顯示出高的還原程度。并且推測，γ-射線分解溶劑生成的還原自由基是GO片層上含氧官能團(tuán)的還原和結(jié)構(gòu)重組的主要機(jī)制。對照實(shí)驗(yàn)顯示氧和乙醇的去除是還原過程的關(guān)鍵因素,其與還原自由基的產(chǎn)生與GO的還原相關(guān)。另外，rGO在溶液中的分散性和電導(dǎo)率表明，這種方法可以應(yīng)用于石墨烯基復(fù)合材料的制備。1.3研究目的和內(nèi)容1.3.1研究目的由于獨(dú)特的光電性能、優(yōu)異的機(jī)械性能和高的比表面積，石墨烯有著非常廣泛的應(yīng)用。但由于石墨烯層間的范德華和π-π吸引力的作用，石墨烯易傾向于堆疊，而這則極大的抑制了石墨烯本身具有的優(yōu)異性能，限制了其在大多數(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。而石墨烯三維結(jié)構(gòu)和其納米復(fù)合材料因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)可以避免石墨烯層間的堆疊。目前石墨烯及其復(fù)合材料典型的合成方法包括氣相沉積法、化學(xué)還原法和水熱法等，但這些方法的應(yīng)用因?yàn)楦甙旱馁M(fèi)用、有毒還原劑的使用及苛刻的高壓條件等被極大地限制。在本論文中，我們采用了一種溫和且潔凈的γ-射線輻照方法，γ射線輻照法在輻照過程中產(chǎn)生的具有化學(xué)反應(yīng)活性的自由基和分子的產(chǎn)率密度較高，且活性粒子在溶液中均勻分散，為促進(jìn)均勻地高活性反應(yīng)提供了理想的條件，可以用來抑制石墨烯的堆疊問題。1.3.2研究內(nèi)容在常溫常壓下，通過γ-射線輻照方法制備氧化亞錳/石墨烯(MnO/rGO)復(fù)合材料，用于鋰離子二次電池負(fù)極。γ-射線可以輻解水產(chǎn)生水合電子還原高錘酸鉀，產(chǎn)生尺寸可調(diào)的MnO顆粒，并在石墨烯的表面上均勻地分布。以上優(yōu)勢使v-射線輻照還原制備的MnO/rGO復(fù)合材料有著較好的電化學(xué)性能。2Ag-1電流密度下進(jìn)行500次循環(huán)后，MnO/rGO復(fù)合材料的比容量仍可高達(dá)1687mAhg-1。在0.2Ag-1的高電流密度下，MnO/rGO復(fù)合材料的比容量可高達(dá)2175mAhg-1。且即使在15Ag-1的高電流密度下，復(fù)合材料的比容量仍可達(dá)546mAhg,約為商用石墨負(fù)極的1.5倍。因此，γ-射線輻照還原在制備電池材料方面將是一種很有前景的方法。在無表面活性劑的條件下，采用簡單的射線輻射法合成石墨烯海綿結(jié)構(gòu)。通過在氧化石墨烯(GO)分散液中加入醋酸和氨水調(diào)節(jié)GO在溶劑中的分散狀態(tài)，分析其對三維石墨烯海綿形成的影響。還通過在石墨烯上負(fù)載1.1x109cmcm-2的CNT(5wt.%)來增強(qiáng)石墨烯海綿的壓縮性能。我們也通過控制GO的濃度來調(diào)節(jié)石墨烯海綿的密度，以滿足不同的需求，石墨烯海綿的密度可低至5.0mgcm-3，孔隙率高達(dá)99.8%，電導(dǎo)率僅為0.012Scm-1。我們對海綿進(jìn)行了壓縮性能測試，結(jié)果顯示80%形變下線性部分的長度達(dá)73.5%，且電阻率在壓縮和回彈時(shí)隨形變呈近線性變化；50%形變下，800次循環(huán)后樣品仍可保持初始形貌，應(yīng)力保留率在85%左右。該法合成的石墨烯海綿由于超低的電導(dǎo)率和極好的壓縮性能在彈性導(dǎo)體、壓力傳感器等方面有較好的應(yīng)用前景。2γ-射線對石墨烯材料的影響2.1實(shí)驗(yàn)材料選取本文選取的是氧化石墨烯，下面是它的特性：（1）良好的親水性和相容性理想的石墨烯片表面不含任何活性基團(tuán)，而氧化石墨烯片層由于含氧活性基團(tuán)的引入，使其具有了某些新的性質(zhì)，如親水性、良好的分散性以及相容性。（2）很好的表面活性和潤濕性氧化石墨烯表面的親水性含氧活性基團(tuán)，使氧化石墨烯具有很強(qiáng)的表面活性和潤濕性，從而使氧化石墨烯能夠在常用的極性溶劑如四氫呋喃等中，形成穩(wěn)定的分散溶液。（3）可作為補(bǔ)強(qiáng)填充材料極性基團(tuán)同樣使氧化石墨烯與某些極性聚合物的相容性增加，穩(wěn)定分散的氧化石墨烯通過溶液法與聚合物材料混合可以制備出具備優(yōu)良電學(xué)性能和力學(xué)性能的納米復(fù)合材料，使氧化石墨烯成為優(yōu)良的納米復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)填充料。由于氧化石墨烯的良好性能，其對聚合物材料的力學(xué)性能、熱性能等的補(bǔ)強(qiáng)效果相對于其它無機(jī)補(bǔ)強(qiáng)填料更優(yōu)異，同時(shí)在聚合物基體中的添加量也比傳統(tǒng)的補(bǔ)強(qiáng)填料要少。研究人員利用氧化石墨烯作為補(bǔ)強(qiáng)填料，制備了大量具有優(yōu)異力學(xué)性能、熱性能的納米復(fù)合材料，對于聚合物復(fù)合材料的發(fā)展具有重要意義。（4）其導(dǎo)電性較差含氧活性基團(tuán)的引入破壞了氧化石墨烯片層內(nèi)的π鍵，使其喪失了傳導(dǎo)電子的能力，故其導(dǎo)電性較差，因此氧化石墨烯不適合制備要求具有導(dǎo)電能力的電子器件。（5）具有不同的電子結(jié)構(gòu)氧化石墨烯與石墨烯具有不同的電子結(jié)構(gòu)，如果石墨烯完全被氧化則可成為絕緣體，經(jīng)過還原后又可以從絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體。因此，可以通過改變和控制氧化石墨烯不同的氧化程度實(shí)現(xiàn)對石墨烯電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控。（6）GO薄膜是一種穩(wěn)定的光電陰極材料在光強(qiáng)為100mW/cm-2的白光照射下,偏壓為-0.4V時(shí)，0.1mol?L-1的Na2SO4溶液中薄膜電極的光電流密度達(dá)3.72μA/cm2.（7）光響應(yīng)性能氧化石墨烯作為可見和近紅外區(qū)域作為光電探測器具有很好的光響應(yīng)性能優(yōu)異、靈敏性度高、響應(yīng)速率快和可重復(fù)性好等特點(diǎn)，還發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)紫外光下氧化石墨烯的光響應(yīng)穩(wěn)定性較差。2.2實(shí)驗(yàn)參數(shù)選取我們在本文中的輻照劑量選取105到107rad，2.3γ-輻射對石墨烯材料的影響分析2.3.1拉曼分析石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料。就石墨烯材料及其器件的研究而言，鑒別石墨烯層數(shù)以及量化其無序性的影響是至關(guān)重要的，而顯微拉曼光譜，是用于表征上述兩種性能的便捷又可行的方法。拉曼光譜（RamanSpectra）是用來研究分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)及分子間價(jià)鍵結(jié)構(gòu)的一種分析方法。圖2.1石星增及碳同素異物體石墨烯的拉曼光譜中，主要包含G峰(1580cm-1咐近)、以及D峰(1350cm-1渡數(shù)附近)，其中，D峰反映的是晶格的碳缺陷，G峰反映的是材料的碳化程度。γ輻射前石墨烯的拉曼光譜γ輻射后石墨烯的拉曼光譜G峰可以有效的反映石墨烯層數(shù)，隨著層數(shù)的增加，G峰的峰位會(huì)向低頻移動(dòng)。拉曼光譜是表征石墨烯層數(shù)的一種無損且有效的手段，石墨烯拉曼光譜的峰位、形狀以及寬度與其層數(shù)相關(guān)。由于石墨烯“薄”的特性，常規(guī)拉曼光譜儀在檢測其拉曼信號時(shí)，極易引入基底的影響，從而導(dǎo)致石墨烯本身拉曼信號被湮滅。復(fù)享顯微拉曼光諧，可以有效的規(guī)避基底信號對石墨烯拉曼信號的影響，獲取更加干凈的石墨烯拉疊光譜，從而對石墨烯層數(shù)進(jìn)行表征。2.3.2電阻分析對于任意指定溫度下的溫度傳感器試件，石墨烯含量越高，電阻越小。這是因?yàn)橄噍^于石墨烯含量較少的試件，增加的石墨烯在環(huán)氧樹脂基體中相互搭接構(gòu)成了更多的導(dǎo)電通路，使得導(dǎo)電性變高電阻減小。在30~100℃時(shí)，3種石墨烯含量的溫度傳感器表現(xiàn)出不同程度的負(fù)溫度系數(shù)(NTC)效應(yīng)，并且隨著溫度升高電阻呈近似線性減小。溫度在50~140℃時(shí)，石墨烯/聚氨酯納米復(fù)合材料也表現(xiàn)出相似的現(xiàn)象。但是，相反的行為，即石墨烯/炭黑/橡膠在40~90℃、石墨烯/環(huán)氧樹脂在20~190℃時(shí)也有電阻隨溫度升高而增大的報(bào)道。所以認(rèn)為溫度范圍、聚合物的性質(zhì)以及石墨烯的含量都會(huì)影響這種電阻隨溫度的變化趨勢。

3結(jié)論與展望石墨烯及其衍生物的優(yōu)異性能及廣泛的應(yīng)用前景使之成為功能材料與器件研究的重要候選材料，解決其分散性和加工性的難題是促進(jìn)石墨烯及其衍生物實(shí)際應(yīng)用的重要課題。輻照還原和接枝技術(shù)制備的功能石墨烯片層在溶劑中的分散性良好，能夠方便地通過溶液法制備各種功能材料，如(光)催化材料、吸附材料、膜分離材料和導(dǎo)電器件等;輻照交聯(lián)技術(shù)能夠?qū)⑹┎牧戏€(wěn)定地固定于常規(guī)材料表面，賦予其新的表面性質(zhì);輻照刻蝕技術(shù)則能夠?qū)ζ瑢拥奈锢斫Y(jié)構(gòu)進(jìn)行裁剪，構(gòu)建諸如多孔石墨烯、石墨烯納米帶或量子點(diǎn)等特殊結(jié)構(gòu)的石墨烯材料。固相輻照技術(shù)通過控制氣氛即可改變石墨烯片層的化學(xué)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生摻雜效應(yīng)，進(jìn)而改變其相關(guān)性能，在石墨烯基材料或器件的成型后處理過程有很好的應(yīng)用前景。此外，考慮到核電和航天領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，對相關(guān)材料和器件的輻照穩(wěn)定性要求越來越高，固相輻照技術(shù)亦可作為一種質(zhì)量考驗(yàn)手段，評估和改進(jìn)石墨烯基材料和器件在輻射環(huán)境中的質(zhì)量穩(wěn)定性，促進(jìn)其在核電與航天領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。然而，由于伽馬射線本身穿透力強(qiáng)，非選擇性作用的特點(diǎn)，伽馬射線輻照技術(shù)在石墨烯基器件的精確加工、材料的選擇性修飾等方面的具有天然的限制。綜上，γ輻照技術(shù)作為-種比較清潔、環(huán)保和適宜批量化處理的功能材料制備技術(shù)，能夠有效解決石墨烯及其衍生物的分散性和加工性難題，促進(jìn)石墨烯基功能材料在環(huán)境處理、日用化工、能源存儲(chǔ)和核電航空等領(lǐng)域得到應(yīng)用。參考文獻(xiàn)任文才.高力波.馬來鵬.成會(huì)明.石墨烯的化學(xué)氣相沉淀法制備[A].遼寧：中國科學(xué)院金屬研究所，2011.郭亞麗.石墨烯（復(fù)合）材料的γ-射線輻照制備方法研究[D].安徽:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2017.路士超.磁性聚苯乙烯類微球及石墨烯復(fù)合材料的輻照制備及性能研究[D].江蘇:南京航空航天大學(xué),2020.夏偉.二維碳材料/環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層制備及其γ射線輻照后的腐蝕防護(hù)性能[D].江蘇:南京航空航天大學(xué),2020.郝冰潔.氧化石墨烯的功能化[D].中國科學(xué)院大學(xué),2020.徐超,員汝勝,汪信.選擇性還原氧化石墨烯[J].新型炭材料,2014(1):61-66.張伯武,俞初紅,沈蓉芳,等.伽馬射線輻照技術(shù)制備石墨烯基功能材料的研究進(jìn)展[J].輻射研究與輻射工藝學(xué)報(bào),2017,35(2):1-11.魯曼麗.石墨烯/貴金屬復(fù)合氣凝膠材料的伽馬射線輻射法制備及其催化性能研究[D].中國科學(xué)院大學(xué),2020.籍楊梅,吳昺坤,梁精龍.石墨烯基材料的關(guān)鍵制備技術(shù)[J].功能材料