基于ANSYS有限元的热学力模拟分析全文

基于ANSYS有限元的热学力模拟分析全文第1章绪论1.1选题背景及意义随着时代的发展，现代各个领域包括船舶，航天等对于新型高分子纳米材料的诉求越来越高，基于这种背景下，石墨烯（G）和碳纳米管（CNTs）诞生了。

虽然二种材料从发明开始，就受到了极大的推崇，但是不能否认的是，它们也有一些缺陷，比如团聚现象；这一种现象在某些特殊的背景下应用，缺陷暴露的就更加明显了。

因此，必众多学者从本质上出发，根据二种材料的最外层电子为4的特性，从共价非共价改性进行探索，进而拓宽了二种材料的应用。

并且基于实际情况的需求，由于离子液体（ILs）一些优良性能，比如不易挥发等；完美的契合了这些实际情况的需求，并且ILs对于石墨烯材料以及碳纳米管材料有着很好地改良作用，进而进一步得到了推崇。

本文最大的创新就在于对于三者的综合应用，本文选用的离子液体是绿色溶剂离子液体，选用此溶剂是因为其对于石墨烯材料以及碳纳米管材料有着物理吸附作用，物理吸附可以不破外这些材料本身的化学结构，并且使得二种材料在基体中具有之前没有的特性：分散性，进而得到导电润滑脂。

这一新的研究，是一种三种元素结合起来的新的研究方向。

最后，把本文比较了ILs改性后和未改性后的二种高分子纳米材料作为润滑添加剂的各项性能。

1.2 石墨烯1.2.1 石墨烯的结构与性质对于石墨烯（G）这样一种新型高分子纳米材料而言，本质是碳原子组成的二维晶体，其各个维面是六边形蜂窝状。

首次发现是在21世纪初期，是由Novoselov[1]等通过胶带法首次获得的。

石墨烯具有一个特殊的离域大π键，其穿透了只有一个碳原子厚度的石墨烯。

这一特性使得石墨烯具有强度高，导电性好[2]、几乎完全透明、比表面积大[3]、载流子迁移率高[4]。

1.2.2石墨烯的制备方法对于石墨烯（G）获得的方法划分可以分为三种、石墨烯超声研磨法制取、石墨烯热剥离法制取、、石墨烯电化学法制取，三种方法具体情况如下：（1）超声研磨法第一种方法主要是根据超声波的原理，使得完整的石墨内部承受超过其承受能力的剪切应力，进而其二侧会造成缺陷，也就得到了石墨烯；该方法对于石墨的剥落产生了极大地便利。

但是这种方法也是有着一定的缺陷的，由于巨大的剪切应力会造成所使用的石墨片层不完整[5]，进而影响生成的石墨烯的产量以及性能。

2010 年，Wang 等[6]最早采用超声进行剥离。

从一种叫做三氟甲磺酰基形成的亚胺盐使用石墨烯超声研磨法制取得到，并且经过试验，最好的时候，获得了0.95 mgmL−1 的悬浮液，然后利用得到的悬浮液经过相应的离心干燥处理，就可以得到石墨烯片。

基于Wang 等研究，著名学者Nuvoli 等[7]进一步改进，采用了改进的1-己基-3-甲基六氟磷酸盐，使用同样的方法，经过试验，最好的时候，获得了5.33 mgmL−1 的悬浮液。

Shang 等[8]在上面二者的研究基础上，直接物理层面的对于使用研钵和杵研磨，对于1-丁基-3-甲基咪唑六氟硼酸盐进行了处理，进而进一步得到了相应的凝胶。

然后加入化学原料二甲基甲酰胺以及化学原料丙酮，继续进行离心操作，然后对于所得物进行改造，就得到了需要的石墨烯。

Shang 等改进的方法在一定程度上来说，可以一定程度的降低成本，操作也变得更为简单了，但是制取的产品会变得隔更加容易破碎。

（2）热剥离法对于石墨烯的制取的研究从未停止，在2012年的时候，著名学者Safavi 等[9]通过对于大于或者等于12个碳阳离子的烃基链进行研究，发现了烃基链如果加大的话，对应的离子液体也会相应的液晶态，进而得到了石墨烯片。

Jin 等[10]在惰性气氛下，将重氮盐和离子液体还有碳酸钾混合，其中离子液体可以选取二种，一种是1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐；另一种是己基吡啶四氟硼酸盐，将三种混合物加热到上千度，进而进一步研磨，然后过滤，即可以得到一种含氧量不超过百分之三的石墨烯。

第二种方法获取石墨烯，相对于第一种方法来说，条件相对苛刻一些。

在剥落的过程之中，由于任然存在着少量的气体小分子，进而使得剥落获得的石墨烯有一定程度的缺陷。

并且总的来说烃基链的长度不同，对于最终剥离的效果而言，也是不尽相同的，（3）电化学法对于第三种方法来说，其原理是电解原理，电解液选择的是离子液体，离子液体会根据电解原理使得这里面的阴离子、阳离子移动到相对应的电极。

并且可以进一步作为电极材料也就是石墨的表面，在电场力的作用下，移动到相对应的石墨的表面的阴离子、阳离子就会产生点化学剥离。

由于这种方法，是借用的电化学知识，非常适合批量的生产，但是在进行电化学剥离的时候，石墨的表面的阴离子、阳离子会伴随着发生额外氧化还原反应发生，从而影响石墨烯的质量。

2008 年，Liu 等[11]分别采用4种离子液体([C8MIm]PF6、[C8MIm]BF4、[C8MIm]Cl、[C4MIm]PF6) 和水的混合液作为电解质，根据上面的原理，进而进一步得到了功能化的石墨烯，其厚度大约是1.1 nm，并且该功能化的石墨烯可以溶解在二甲基甲酰胺等极性非质子溶剂。

Singh 等[12]研究学者，选用16V的电压，在二铂一石墨材料的三电极体系下，电解液选择的是上面所描述的[S222]Tf2N，利用上面所描述的原理，使得石墨铅笔材料的电极产生对应的剥离反应，进而得到我们所需要的石墨烯。

Zeng 等[13]在微观层面，模拟电化学的剥离反应，使得石墨烯片侧边的解离，得到了本文所需要的碳纳米颗粒。

第三种方法获得的石墨烯，得到的石墨烯片是人为可以控制的，可以控制其尺寸以及外观形状一致，并且得到的石墨烯片的比容量可以进一步加大，这一种方法得到的石墨烯更加适合应用在电池方面。

1.2.3石墨烯的功能化改性为了进一步拓展石墨烯的功能，有必要对其功能进行改进，一方面是共价键改性，这一方面又可以具体划分为氧化共价键改性、加成共价键改性和原位接枝聚合共价键改性，用的最多的是氧化共价键改性方法，该方法具体的原理是石墨烯遇到强氧化物的时候，会反应形成羧基等官能团，并且强酸会使得石墨烯的化学结构破坏，使得原本的六边形变成五边形或七边形环，这样使得原本的电热等方面性能下降。

改进方法就是可以表面堆叠大π键，并且这一方法也受到越来越多的人的关注。

（1）共价键改性以共价键改性获得的材料稳定一些，相应的性能就会差一点，对所使用的离子液体来说，那些只要是参与共价键合的，不是阴离子就是阳离子，也可能有其他作用，如起氧化或剥离作用等。

Yang 等[14]研究学者通过对于石墨烯片分散性的研究，发表了一种新的分散到聚合物里的策略。

该方法利用化学中的亲核开环反应来对于石墨烯的功能化进行实施，其中用到的液体就是1-3-胺丙基-3-甲基咪唑溴盐([NH2C3MIm]Br)。

该亲核开环反应的原理就是，增加静电斥力，达到增加石墨烯不同层的间距，一般是从9.6到14.9Å，继而达到了增强石墨烯稳定性和分散性的能力。

Bhunia 等[15]研究学者同样使用1-3-胺丙基-3-甲基咪唑溴盐得到了不会挥发的记忆装置。

Fan 等[16]研究学者为了研究共价键改性，结合前面所用到的电化学法，选择1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([C4MIm)]BF4)、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([C4MIm)]BF6)和1-己基-3-甲基咪唑双(三氟甲磺酰基)酰亚胺盐([C6MIm]Tf2N)作为其中用来点解的溶液。

然后给与相应的10V的电压，对于石墨棒就行电解，离子液体会根据电解原理使得这里面的阴离子、阳离子移动到相对应的电极。

并且可以进一步作为电极材料也就是石墨的表面，在电场力的作用下，移动到相对应的石墨的表面的阴离子、阳离子就会产生点化学剥离，得到了功能化石墨烯。

（2）非共价键改性石墨烯除了有共价键形式也可以以非共价键组合成复合材料。

以非共价键组合成复合材料中，通过协同作用，提高以非共价键组合成复合材料的某些性能。

与前者相比，后者只有π-π作用以等，石墨烯的各种性质不会受到共价键形式的影响。

王赟[17]首创性的用[C4MIm]BF6对天然石墨进行操作，接着使用水热合成法，对于石墨烯表面原位进行操作，从而达到了生长钛酸锂(LTO)的目的，也就得到了LTO/石墨烯形式的纳米复合材料。

Xiao 等[18]研究学者以1-丁基-3-甲基咪唑氯化钠和胆酸钠为原料，通过离子交换反应合成了新型离子液体1-丁基-3-甲基咪唑胆酸盐。

在超声波作用下，石墨烯在白介素存在下发生剥落，得到稳定的水分散体，透射电子显微镜和拉曼光谱表明，稳定的石墨烯片材仅存在少量（＜5）层。

此外，利用IL-G固定贵金属纳米粒子（Pt、Pd、Ru、Rh等），得到了一系列金属尺寸<=2nm、尺寸分布非常窄的石墨烯金属（G-M）复合材料。

所得G-M在芳烃加氢反应中表现出优异的催化性能。

Choi 等[19]研究学者演示了通过电化学自组装的分层结构的MnO2 /离子液体还原的氧化石墨烯（IL-RGO）纳米复合材料的合成。

用光谱方法研究了MnO2/IL-RGO纳米复合材料的结构及其形成机理，并与电化学行为进行了关联。

1.3 碳纳米管1.3.1 碳纳米管的种类、结构与性质由碳元素所组成的中空管状结构叫做碳纳米管[20] ，这种管可以被看成是多层或者单层石墨片（石墨六边形网格平面）沿手性矢量卷绕而成的中空的、无缝的微管。

这种管的轴向尺寸以微米量级为单位，径向尺寸以纳米量级为单位。

碳管两端碳原子的五边形封顶是一种特殊结构的一维量子材料。

它主要是由碳原子（呈六边形排列）构成的数层到数十层的同轴圆管。

每个碳纳米管侧壁上的碳原子都会与相邻的三个碳原子连接并形成六角型网格结构，然后经过SP2杂化轨道最终形成很多高度离域化的π电子. 这种结构性能决定了CNTs拥有良好的导电性，因此电子就能够通过CNTs 侧壁的共轭大π键实现高速传递。

另一方面，也因为较强的分子间作用力，碳纳米管之间容易聚集形成管束，也就导致他们在溶剂介质很难分散从而影响了对碳纳米管性质的研究和开发。

1.3.2 碳纳米管的制备方法根据使用原理的不同CNTs 的制备方法可分为：气相沉积法、激光蒸发法、电弧放电法、（CVD 法）等，下面就是关于上述几种方法的简单介绍。

（1）电弧放电法因为受到富勒烯这种生产工艺的启发，最早开发出来并且用于制造碳纳米管这种工艺的方法就是通过电弧放电，而这一工艺也对碳纳米管的发展具有重大意义。

要生产碳纳米管，首先不仅需要在真空放电室中加入惰性气体，还要在石墨电极之间放电产生电弧，这样，在碳原子的作用和催化下，这些结构就会在内部进行重组然后在阴极产生碳纳米管。

而通过改变催化剂的配方或者种类，或者改变气体的配比，将会极大地影响碳纳米管的形态和它的生产率。