无机非金属材料的研制及性能表征论文_廖文飞

无机非金属材料的研制及性能表征论文_廖文飞

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摘要:本文在分析无机非金属材料研制的基础上,进一步对其性能表征进行探究,希望以此为无机非金属材料的发展提供一些具有价值性的参考依据。

关键词:无机非金属材料;研制;性能

1 无机非金属材料在经济发展中的作用

1.1为信息技术革命奠基

人类的发展经历了诸多时代,现在正处于一个信息化高度发展的科技时代,每个时期的发展都与材料有着密切的联系。从这个角度讲,材料贯穿了人类的发展进程,是社会发展的标志性因素。在高科技背景下,无机非金属材料成为了社会发展的基础。

1.2支撑现代文明

无机非金属材料具有体轻、硬度和强度较高、抗高温、抵制腐蚀等优良特性,因而具有金属和高分子材料所无法比拟的优势,在航天、微电子以及海洋事业中大放异彩,在高科技的竞争领域中占据重要地位、起到重要的作用。

1.3可以促进经济发展

事实证明,每次无机非金属材料的重大进展都会引发一次重大变革,比如玻璃钢、芳纶纤维等材料的产生,使得火箭的外部材料发生了革新,这种效应也扩散到汽车和飞机等领域。光学纤维的横空出世,让广播电视、邮电通讯以及医学等领域出现了飞跃性的进步,这种推动效应还扩散到了印刷和自动检测等领域当中。

2 无机非金属材料的分类

2.1依据分子结构划分

无机非金属材料总体上依据分子结构可以划分晶体和非晶体两大类,晶体可以分为单晶和多晶,两者都可以分为单质和化合物两个类型。单晶的单质具体有单晶硅、金刚石、集成电路材料以及工具材料;单晶的化合物可以分为碲化铋、电子器件以及半导体敏感材料。多晶的单质可以分为多晶硅、烧结金刚石、光电材料以及工具材料。其在化合物方面可以分为传统陶瓷、新型陶瓷以及自然石料三个方面;传统陶瓷又可以分为日用陶瓷、建筑陶瓷、美术陶瓷以及耐火材料四个方面;新型陶瓷中的结构陶瓷则可以分为耐高温材料、耐腐蚀材料、耐磨损材料、耐冲击材料和硬度材料。其功能陶瓷则可以分为电子功能材料、光学功能材料和生物功能材料;自然石料则可以分为装饰材料、建筑材料以及日用器皿。非晶体主要指的是玻璃,玻璃可以分为单质玻璃和化合物玻璃。单质玻璃有无定形硅和生物玻璃两种;化合物玻璃则分为日用玻璃和功能玻璃;功能玻璃包括导光透光玻璃、电学功能玻璃、热湿等敏感玻璃以及生物玻璃。

2.2依据化学成分划分

总体可以分为单质和化合物两大类。单质分为单晶硅,如金刚石、集成电路以及工具领域等使用;多晶硅如多晶石墨、光电材料和电极等;单质硒玻璃如敏感材料;无定形碳包括生物膜材料和导电材料等。化合物则包括氧化物、非氧化物以及多元化合物。氧化物分为二氧化铝和二氧化锆、非氧化物分为氮化硅和氮化铝;多元化合物分为生物玻璃和钛酸钡。

2.3依据功能划分

总体可分为工程材料和功能材料。工程材料可以分为高强高韧材料、耐高温抗热震材料、耐磨耐腐蚀材料各种界面材料以及其他材料;功能材料分为电学材料、光学材料和生物材料三种;电学材料可以分为压电材料、磁性材料、电导材料、热电材料、电子材料以及敏感材料;光学材料可以分为导光材料、透光材料和光信息材料;生物材料则可以分为生物惰性材料、生物体内可控表面活性材料、生物体内可吸收材料。

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3 磷化铜纳米粒子修饰石墨烯复合材料研制

3.1一般材料

氯化铜(CuCl2・2H2O,AR,上海埃彼化学试剂有限公司);白磷(P4,AR,天津富宇化工有限公司);石墨粉(国药集团化学试剂有限公司);十六烷基三甲基溴化铵(CTAB,西安化学试剂厂);水(二次蒸馏水)。

3.2氧化石墨烯的制备

使用天然的石墨粉,采用改进的Hummers法合成氧化石墨烯。使用超纯水对粗产品进行洗涤,至pH约为6。最后进行真空冷冻干燥等到固体氧化石墨烯。

3.3复合材料的制备

精确的称量出10mg氧化石墨烯固体与准确量取40mL氨水溶液(28%)加入到50mL的聚四氟乙烯反应釜内衬中,超声分散2h,直到反应釜中的固体物质完全分散,溶液变的均匀。加入50mg十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)超声至CTAB完全溶解,将50mg氯化铜(CuCl2・2H2O)加入反应釜中,磁力搅拌30min。期间超声分散注意水温保持室温。加入100mg黄磷(YP),将内衬密封至不锈钢釜壳中,在140℃恒温干燥箱中连续反应12h。待反应完成后,取釜,自然冷却至室温。得到的黑色粗产物用苯、无水乙醇、蒸馏水依次洗涤数次,来除去副反应生成的杂质。最后将清洗完全后的产物,在60℃真空干燥箱内恒温干燥6h,完成后,收集样品待用。

4 磷化铜纳米粒子修饰石墨烯复合材料性能表征

样品的物相和纯度同样用D/Max-3c型XRD进行检测;样品的形貌分析利用日本HitachiS-4800型场发射扫描电镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM,FEITecnaiG2F20S-TWIN)观察。

4.1结构分析

GO位于10.4°的(002)特征峰对应0.850nm的层间距。当溶剂热反应完成后,Gr在大约24.4°处出现一个较宽的峰,其对应的层间距为0.365nm,这说明在该溶剂热体系下GO被还原成Gr。复合物中主要的(112),(202),(211),(300),(113)和(212)晶面分别出现在36.0°,39.1°,41.6°,45.1°,46.2°和47.3°,能够对应Cu3P的标准卡片值(JCPDS号为71-2261)。其中复合物XRD中出现明显的宽峰,这直接说明Cu3P锚定在石墨烯表面。EDS图分析结果表明在复合物中仅存在Cu、P、O和C四种元素,这点与XRD图分析结果一致。对存在的元素的含量分析发现,复合物中C:O接近11:1,这说明复合物中氧化石墨烯还原的程度较高。

4.2复合物的电学性能

石墨烯作为锚定点保留了其优异的电学性能,同时与纳米Cu3P粒子相互交叠加大了夹层间距和更丰富的微孔结构,两者协同提供更多的储锂空间。有效的提升了复合材料的充放电比容量,解决了单一组分材料的电学性能缺陷。此外,Cu3P-Gr复合材料和单一组分Cu3P都在0.75V左右出现了明显的充放电平台,这可以归结于Cu3P+3Li→Li3P+3Cu这一反应。同时,Cu3P-Gr复合材料比单一组分Cu3P充放电平台更长更平稳,这说明石墨烯的加入有效的减少了纳米Cu3P粒子所带来的体积效应,且石墨烯优异的电学性能提高了复合材料的整体导电能力,缩短了锂离子传输的距离,提高锂离子脱嵌过程的扩散速度。这一显著提高,更加有利于复合材料的实际应用。

结束语:

本文以石墨烯、氯化铜、白磷为原料成功制备出Cu3P修饰的石墨烯复合材料,并对其结构、尺寸和形貌进行了表征。石墨烯复合材料电学性能测试结果表明:复合物的放电容量及循环性能优于单一组分的石墨烯、磷化铜,循环性能突出,具有一定的应用价值。

参考文献:

[1]栾志军.材料的分类及优化检索系统的研究与设计[D].青岛大学,2011.

[2]刘子全.姜付义.聂惠瑛.王波.蒋润乾.李波波.无机非金属材料专业方向陶瓷模块实验的设置探讨[J].福建建材,2011,36(6):109-112.

[3]张春艳.无机非金属材料的研制及性能表征[J].解读无机非金属材料,2013,09(14):124-125.

论文作者:廖文飞

论文发表刊物:《基层建设》2017年第29期

论文发表时间:2018/1/7

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