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石墨烯增強金屬基復合材料制備及性能研究

本發明公開了一種強通流復合接地體及制作方法，該復合接地體從內向外依次為由內芯、均流層、 編織層，其中：內芯為單根復合石墨線或多根復合石墨線構成的復合石墨線束；均流層包覆內芯，由兩 層金屬片和縱向緊密排列于兩層金屬片間的金屬絲構成；編織層為復合石墨線繞均流層外側編織獲得； 復合石墨線由復合石墨帶捻合獲得，復合石墨帶包括兩層蠕蟲石墨層和鋪設于兩層蠕蟲石墨層間的骨架 纖維，骨架纖維包覆有粘合劑層。本發明復合接地體具有通流能力強、導體溫升小、趨膚效應小

本成果為高速列車關鍵電氣零部件，保障列車運行電氣安全，完成樣件研制和服役性能評價，達到進口樣件性能參數，全面掌握加工制造技術和檢測規范。

制備在宏觀尺度上具備二維單片石墨烯的獨特本征性質的石墨烯三維體相材料是材料學研究中兼具學術價值和實用意義的重大挑戰。本項目制備得到了一種三維石墨烯宏觀體相材料，其由大量獨立且懸空的二維石墨烯單元通過片層邊緣的化學鍵構筑而成。該材料具有良好的機械性能，在常溫可見光下作用下具有電子發射能力，在瓦特功率級別的可見波段激光或聚焦的太陽光照射下，厘米尺寸的此石墨烯材料樣品可以在真空條件下實現有效的直接光驅動，此現象為國內外所首次觀察及報道，為石墨烯帶來了一種激動人心的潛在應用價值。上述材料的制備及相關性能研究還可為石墨烯在催化，能源轉換與存儲等領域的應用提供材料支持與相關理論支撐。

具有較大可逆形變功能的彈性材料在各種工程應用中具有廣泛需求。然而，當溫度顯著降低時，材料延展性或彈性通常會受到損害。到目前為止，還沒有材料能夠實現在外太空等深低溫下具有高彈性。近日，南開大學陳永勝團隊報道了一種三維交聯的石墨烯材料，在4K的深低溫到1273K的高溫溫度區間材料超彈性行為幾乎不變。在4K超低溫條件下，具有與室溫相同的力學性能：幾乎完全可逆的超彈性行為（高達90％的應變），楊氏模量不變，泊松比接近零，循環穩定性好。原位實驗和模擬結果表明，這種超彈性得益于獨特結構的協同結果：單個石墨烯片層的本征彈性和片層之間的共價連接。

制備在宏觀尺度上具備二維單片石墨烯的獨特本征性質的石墨 烯三維體相材料是材料學研究中兼具學術價值和實用意義的重大挑 戰。本項目制備得到了一種三維石墨烯宏觀體相材料，其由大量獨立 且懸空的二維石墨烯單元通過片層邊緣的化學鍵構筑而成。該材料具 有良好的機械性能，在常溫可見光下作用下具有電子發射能力，在瓦 特功率級別的可見波段激光或聚焦的太陽光照射下，厘米尺寸的此石 墨烯材料樣品可以在真空條件下實現有效的直接光驅動，此現象為國 內外所首次觀察及報道，為石墨烯帶來了一種激動人心的潛在應用價 值。上述材料的制備及相關性能研究還可為石墨烯在催化，能源轉換 與存儲等領域的應用提供材料支持與相關理論支撐。 項目特色： 1.制備了基于二維石墨烯單元通過片層邊緣的化學鍵構筑而成 三維石墨烯體相材料，該材料不僅保留了二維石墨烯材料的本征性質， 而且具備優良的機械及光電性能。 2. 在國內外首次觀察到厘米級尺寸的裸眼可見的宏觀石墨烯樣 品，只依靠瓦特級別的光作為單一驅動源，即可實現較大距離(數十厘 米)的有效的運動，并提出了光致電子發射驅動的機理解釋上述三維 石墨烯體相材料獨特的光驅動， 3. 上述材料的制備與性能研究揭示通過有效合理的結構構筑手 段，能夠得到以二維石墨烯作為構成單元，并有效保留其獨特二維性 質和兼具三維宏觀形態的石墨烯體相材料，此項研究為其它二維材料 的開展類似工作并拓展其應用提供了范例和思路。已取得的成果： 項目的標志性研究結果于 2015 年 6 月在線發表于 Nature Photonics，并于 2015 年 7 月正式發表（Nature Photonics, 2015, 9, 471- 476）。雜志同期以“Two-dimensional materials: Lift off for graphene” 發表了專題評論。英國著名科普雜志 New Scientist 以“Spacecraft built from graphene could run on nothing but sunlight”為題報道了此研究， 指出該成果“再為石墨烯這種優良材料增添了一種驚人的性能”。國 內主要媒體包括人民日報、光明日報、新華網以及多家門戶網站等均 對此研究進行了報道，中央電視臺《新聞聯播》欄目于 2015 年 6 月 21 日也對此進行了報道。 市場應用前景： 空間飛行器是人類探索宇宙的重要工具，而動力源問題一直羈絆 著人類無法走得更遠。目前幾乎所有的航空、航天飛行均采用化學驅 動，即通過噴射燃燒的化學物質來獲得驅動力，光直接驅動飛行是科 學界和航空界多年的夢想。

Ag 納米顆粒具有優異的抗菌及殺菌性能，且具有廣譜性及無抗藥性。石墨烯是近年來最熱門的材料之一，可以作為載體制備納米復合材料，廣泛應用在光電，電池，生物，醫學等眾多領域。對比目前 Ag 抗菌材料的載體如沸石，二氧化硅等來說，石墨烯具有獨特的二維結構，其高的比表面積，穩定的物理及化學性質，可以優化 Ag 基納米顆粒的生長，控制其形貌尺寸，從而獲得性能優異的復合材料。 其獨特的二維結構以及界面性能使其可以組裝成不同應用環境的器件，因此具有廣泛的適用范圍和廣闊的應用前景。重要的是，石墨烯還具有良好的生物相

目前傳統消毒技術有諸多缺點：紫外消毒由于紫外光光譜會殺死健康細胞，對人眼和其他器官也是危險的，所以其滅菌場所不能有人進入，大大限制了其應用范圍。傳統的二氧化鈦催化劑由于禁帶寬度3.2ev，也只能受紫外光激發有效，大大限制了其應用；臭氧消毒易分解，其滅菌場所不能有人進入，對人眼和其他器 官具有危害；酒精、84消毒劑由于揮發不具有持續消毒能力，需要經常噴灑，另外存在著使用不當引起的火災、中毒等風險。 課題組研發的氮化碳g-C3N4功能復合膜制備可解決述痛點，該項技術具有可提高膜的親水性、提高膜的水通量、賦予膜光催化性能、賦予膜自清潔性能和抗菌性等特點。

Ag納米顆粒具有優異的抗菌及殺菌性能，且具有廣譜性及無抗藥性。石墨烯是近年來最熱門的材料之一，可以作為載體制備納米復合材料，廣泛應用在光電，電池，生物，醫學等眾多領域。對比目前Ag抗菌材料的載體如沸石，二氧化硅等來說，石墨烯具有獨特的二維結構，其高的比表面積，穩定的物理及化學性質，可以優化Ag基納米顆粒的生長，控制其形貌尺寸，從而獲得性能優異的復合材料。其獨特的二維結構以及界面性能使其可以組裝成不同應用環境的器件，因此具有廣泛的適用范圍和廣闊的應用前景。重要的是，石墨烯還具有良好的生物相容性，是抗

一、項目分類 顯著效益成果轉化 二、成果簡介 本項目開創性地將石墨烯用于包覆鈦酸鋰，通過獨特的加工工藝制得業內領先的石墨烯包覆鈦酸鋰材料，有效地解決了鈦酸鋰負極材料的產氣問題，并以此為基礎制得了高性能的鈦酸鋰超級電池。該電池單體可8C持續放電，20C脈沖放電，充放電循環大于30000次，10分鐘可充電90%以上，低溫性能優異（可在-40度環境下放電）。 石墨烯具有高導電性和優良的電化學穩定性，通過石墨烯的均勻包覆改善了鈦酸鋰的電子電導性，進而提升了電池的大倍率充放電能力和高低溫性能。同時，石墨烯包覆降低了材料充放電過程中的極化，提高了材料的容量發揮，通過鈍化鈦酸鋰材料表面的活性位點，解決了其產氣問題。利用該負極材料做成鈦酸鋰超級電池，具有優異的倍率充放電性能、長壽命、高安全性能和優異的低溫充放電性能。 本項目首先開發了石墨烯包覆的鈦酸鋰材料，采用高溫固相法合成，X射線衍射圖譜證明其為標準的鈦酸鋰尖晶石結構，微觀上由100-200nm的一次顆粒組成的微米和亞微米級二次球形顆粒，D50為15±5μm，1C可逆容量大于155mAh/g。 獲得了基于石墨烯包覆鈦酸鋰負極材料的鈦酸鋰超級電池，通過串并聯成組后可以用于低溫啟動電源，軌道交通，儲能等領域，在長壽命、高安全、快充和低溫充放電領域具有廣闊的應用前景。