基于石墨烯的高分子智能材料及驱动器件研究

Intelligent materials, which can take energy from the environment and change their shape or volume, have continued to grab considerable attention of both scientists and engineers. Graphene, with strong compatibility with polymeric materials, will be used as efficient filler in fabrication of a new type of intelligent polymer composite material. Highly effective energy transfer unit will be developed based on functionalized graphene and its derivants. A novel self-healing material, with high efficiency, fast response, and repeatable healing performance, will be fabricated with graphene and functional polymers. This material could be healed by different stimulus, i.e., light, electricity, magnetism and electromagnetic wave. At the same time, the large aromatic network and good solubility of functional graphene make it an excellent choice for filler of actuation material. Graphene-based actuators with special moveability will be constructed. Given these unusual optical, electrical, thermal and mechanical properties, graphene-based materials may open new vistas for practical applications of intelligent materials.

智能材料拥有自我感知和自主调整功能，具有重要的科学价值及应用前景。本项目将针对高分子智能材料存在的单一信号响应及执行能力差等问题，采用模块化设计思路，发展基于石墨烯的新型高分子自修复材料及驱动器件。研究以功能化石墨烯为核心的高效能量转移单元的合成方法，并选择与之相匹配的，具有特定结构及变形能力的高分子作为机械形变单元，充分发挥二者的协同作用，构建新型高分子智能材料；设计并制备能同时吸收多种外界能量（光、电、磁、热、微波或化学能等），具有高效率、高速度及可重复等优点的自修复材料；发展具有多重信号响应性，具备执行复杂运动能力的智能驱动器件。深入研究石墨烯-高分子智能材料对外界信号的感知、捕获及响应的过程，揭示其能量转换与传递机理，为新型智能材料及器件的设计拓展思路。

智能材料能够对外界信号作出自主响应，具有重要的研究意义和应用前景。合成了以功能化石墨烯为核心的高效能量转移单元，设计了与之结构匹配、性质互补，具有形状记忆能力的高分子作为机械形变单元，通过二者的协同作用，构筑了具有多重刺激响应性的高分子智能材料。利用石墨烯对光、电和微波等信号的强响应性，获得了具有高效率、高速度及可重复等优点的自修复材料；制备了具有自主响应性，并能执行可控运动的智能驱动器件；在此基础上，通过材料和结构设计，进一步增强了其微波吸收能力，发展了轻质、超宽频隐身材料；深入研究石墨烯-高分子智能材料对外界信号的感知-捕获过程，阐明刺激响应-执行机制，揭示其能量转换与传递机理，提出了新型智能材料及器件设计的思路，拓展了其在信息、电子、国防等重要领域的应用前景。通过该项目的研究，顺利完成了研究目标，在Adv. Mater.，Adv. Funct. Mater.，Adv. Sci.，Carbon等刊物发表SCI论文19篇，中文核心论文1篇，申请专利2项，培养研究生6人，获2015年天津市自然科学一等奖。