摘要
现如今由石墨烯纳米片组装而成的石墨烯薄膜具有高效的电热转换能力，在电加热领域展现出巨大的应用前景。目前，石墨烯薄膜的制备方法主要包括涂覆法、真空抽滤法、电化学法等。当采用这些方法制备石墨烯薄膜时，通常需要将石墨烯纳米片分散在特定溶剂制成分散液后再实施涂覆或者抽滤，后续还需要对薄膜进行烘干等热处理以去除薄膜内的溶剂。这不仅造成薄膜制备步骤比较复杂，而且，薄膜内残留的溶剂很难被完全去除，进而影响薄膜的电热性能。为避免溶剂的存在对石墨烯薄膜电热性能的影响，本学位论文提出了以石墨烯纳米片粉体为原料，通过施加压力直接压制成膜的研究思路，系统研究了石墨烯纳米片层厚、压制应力、薄膜厚度、施加电压等因素与石墨烯压制薄膜电热性能的相关性。本文的研究内容和主要结果如下： （1）本研究以氯磺酸（CSA）单一化学试剂剥离石墨为基础，对石墨与CSA的比例、实验温度和反应时间等参数进行了系统调整，从而成功地制备出不同阶数石墨层间化合物，后通过超声以及高温处理得到了具有不同层数的石墨烯纳米片（GNS）与石墨烯聚集体（GAs）。 结果表明：选用石墨：氯磺酸=1 g：3 mL的质量体积比在 100℃下反应 24 h后可以构建最低为 2 阶的石墨层间化合物。通过调控酸量并在室温下插层 24 h，可以分别制备出2阶、5阶、7阶和含石墨相的混阶GIC。对所制备的GIC进行高温膨化与超声处理，最终得到了平均层数为2层、5层、7层的GNS和GNS与石墨的混合物。 （2）本文以不同层数的GNS、GAs为原料采用直接施加压应力的方法制备了石墨烯纳米片薄膜与石墨烯聚集体（GAs）薄膜，并采用抽滤法制备了抽滤薄膜。同时探索了压应力、原料层数及种类等差异对于薄膜电热性能的具体影响，压降现象的原理和规律。 结果表明：压力对薄膜电热性能有正向作用，压力越大，薄膜电热性能越好。1 V 输入电压下，GNS 薄膜在 150 KN 与 50 KN 的压力下稳态温度分别为 69.8℃和 54.3℃。GAs 薄膜在 150 KN 与 50 KN 的压力下稳态温度分别为 62.7℃和50.4℃。石墨烯的层数对成膜之后的电热性能有很大的影响，原料石墨烯层数越低，薄膜的电热性能越好。在相同的制备条件下，GNS薄膜的电热性能最佳，其电导率达到了 1.95×105 S/m。大多数压制薄膜输入电压电压不超过 2 V。 （3）探究了三种薄膜的融冰以及加热水两种电加热应用，三种薄膜均可在低压输入条件下达成融冰以及烧开水的实验效果。其中两种压制薄膜的尺寸为2 ×3 cm，抽滤薄膜为直径四厘米的圆形。烧开水所用小瓶容量为 5 mL，装水量为3 mL。所用冰块为底边长 1.5 cm，顶边长 0.5 cm 的四棱台冰块。 结果表明：在烧水测试中，80 mg抽滤薄膜在 3 V 的输入电压下将水烧开所需时间最短为1 min49 s，80 mg的 GAs 薄膜与 GNS 薄膜在 2 V 的输入电压下将水烧开分别需要24 min6 s 和 25 min34 s。3 V 输入电压下，抽滤薄膜最快融冰时长为 1 min，2 V 输入电压下，GAs 薄膜与 GNS 薄膜的最快融冰时长分别为 1 min15 s 和 1 min8 s。
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