关键词： 石墨烯   纳米流体   制备   热物性   应用  

摘要： 为了实现全球可持续发展目标,资源和能源的循环与高效利用是最关键的问题。热能作为能源的主要应用形式,在众多行业中无处不在。传统换热介质换热效率低导致能量损失严重。提高热效率的最佳方法就是使用高效换热介质替代传统换热介质,纳米流体是最具开发前景的新型换热介质之一。石墨烯相比于其他纳米粒子,能显著增强纳米流体的综合性能,但其疏水性导致在体系中的长期稳定分散困难,成为石墨烯基纳米流体制备与应用的瓶颈问题,同时纳米粒子的加入会增大纳米流体的流动阻力,导致输送功率的能耗增大。 针对目前石墨烯基纳米流体制备与应用领域存在的瓶颈问题,本文首次采用六种粘弹性高分子聚合物（黄原胶、羧甲基纤维素钠、聚氧化乙烯、明胶、海藻酸钠和卡拉胶）为分散剂,耦合高压均质技术制备出高稳定性的石墨烯基纳米流体。分析了不同因素对纳米流体的物性,包括粘度、流变特性、界面特性和导热系数的影响规律。在此基础上对纳米流体在传热、摩擦和光热转化领域的应用性能进行了评价。主要内容及结果如下: （1）探究了分散剂和分散技术对石墨烯基纳米流体制备过程的影响规律,确定分散剂与高压均质耦合制备石墨烯基纳米流体的新工艺方法。所制备的石墨烯基纳米流体稳定周期长达180天。新工艺可以制备不同浓度的石墨烯基纳米流体。 （2）探究了六种分散剂制备的石墨烯基纳米流体的粘度变化规律及流变特性,发现了石墨烯的降粘效应。当石墨烯浓度为1.0 wt.%时,海藻酸钠体系的最高降粘率为58.9%。纳米流体流变特性研究表明,在低剪切速率下,黄原胶和羧甲基纤维素钠体系的纳米流体为假塑性流体,表现为剪切变薄的非牛顿流体特性。随着剪切速率增大,表现为牛顿流体特性;其余体系的纳米流体在整个剪切速率区表现出牛顿流体特性。 （3）探究了六种分散剂制备的石墨烯基纳米流体的表面张力（ST）与水接触角（CA）的变化规律。在所有体系中,石墨烯的加入均降低了基液的ST。同时增加了基液在两种材质上的CA。当黄原胶浓度为0.04 wt.%,石墨烯浓度为0.6 wt.%时,相比基液,纳米流体的ST降低最大为15.3%,在不锈钢上的CA值提高了10.1%,在聚丙烯上的CA值提高了26.7%,因此纳米流体在材质表面的疏水性增大,综合效应表现为流动过程中阻力的减小。 （4）研究了六种分散剂体系制备的石墨烯基纳米流体的导热系数（TC）的变化规律,评价了纳米流体综合传热性能。石墨烯的加入显著提高了六种基液的TC。当黄原胶浓度为0.04 wt.%,石墨烯浓度为0.6 wt.%时,纳米流体的TC最高为0.832W·m·K,比基液的TC提高了38.1%。当石墨烯浓度高于1.0 wt.%时,因石墨烯在体系中团聚和沉降导致纳米流体TC下降。 计算结果说明,六种体系的纳米流体的性能增强比（PER）值为-4～0之间,明显小于4,表明所制备的纳米流体在传热方面具有实际应用潜力。其中聚氧化乙烯、羧甲基纤维素钠和黄原胶制备的石墨烯基纳米流体的PER值接近0,表明所制备的三种纳米流体均具有最大的换热增强效能。 （5）探究了黄原胶、羧甲基纤维素钠和聚氧化乙烯体系制备的石墨烯基纳米流体对流换热系数（h）和流动阻力系数（f）随石墨烯浓度和流速（u）的变化规律。确定了纳米流体在管壳式换热器和板式换热器中的强化传热规律和换热效率。随u的增加,纳米流体h增加,f降低。相比纯水,黄原胶体系的h提高了35.2%,f降低了3.1%;随着石墨烯浓度的增加,纳米流体的h增加,f降低。当石墨烯浓度为0.6 wt.%时,黄原胶体系的h相比纯水提高了35.2%。三种纳米流体在管壳式换热器中的最大换热效率分别为91.9%、83.4%和86.4%。在板式换热器中,相比纯水,纳米流体的h分别提高了23.5%、11.7%和11.1%,压降值与纯水的相当。 （6）探究了羧甲基纤维素钠体系制备的石墨烯基纳米流体的摩擦学性质及抗菌、抗腐蚀特性。结果表明,石墨烯基纳米流体的摩擦系数为0.04,温升为33.7℃,两参数明显优于目前工业上广泛使用的切削液（摩擦系数0.06,温升为26℃）;石墨烯基纳米流体具有的减摩、高效导热、优异的抗菌和对多种金属材料的腐蚀钝性等特性使其成为潜在的高效环保型切削液产品。通过基础物性和摩擦学规律探究提出了石墨烯基纳米流体的润滑机理。 （7）探究了羧甲基纤维素钠体系制备的石墨烯基纳米流体的光热性能。确定了石墨烯基纳米流体在室内模拟光照环境和自然光条件下的光热转化特性。相比纯水,石墨烯基纳米流体在光谱范围200～800 nm之间的透射率大幅度下降,光吸收性能随着石墨烯浓度的提高而增强。分散剂浓度为0.1 wt.%,石墨烯浓度为0.1 wt.%时,光热转换效率最大。室内模拟温升为30.6℃,较纯水温升提高147.7%。室外模拟温升为15℃,较纯水温升提高144.6%,展现出优

关键词： 铜基复合材料   碳纤维   氧化石墨烯   力学性能   摩擦磨损性能  

摘要： 碳纤维增强铜基复合材料拥有高强度、耐腐蚀以及优异的导电导热性能,被应用于汽车、电子、工业等领域。由于碳纤维和铜之间润湿性差,导致碳纤维无法充分发挥其强化作用。为了提高碳纤维与铜之间界面结合强度,本文提出了在碳纤维表面接枝氧化石墨烯的方法,通过增加碳纤维表面粗糙度,来解决碳纤维与铜基体之间界面结合差的问题。 本文使用化学接枝法在碳纤维表面接枝氧化石墨烯,研究接枝工艺对碳纤维表面形貌及强度的影响规律。利用SPS烧结技术制备了 CF/Cu和CF-GO/Cu复合材料,研究碳纤维含量、碳纤维表面接枝氧化石墨烯含量分别对复合材料组织、物理性能、力学性能和摩擦学性能的影响。得出结论如下: (1)随着碳纤维含量的增加,CF/Cu复合材料的相对密度逐渐降低,但保持在95%以上,电导率、热导率以及磨损率逐渐降低,布氏硬度逐渐升高,抗拉强度先升高后降低。在碳纤维含量为1 wt.%时,复合材料抗拉强度达到最高值为276.37 MPa,相比于纯铜提高23.7%,磨损率为7.25×10-4mm3/Nm,相比纯铜降低44.6%。 (2)在碳纤维表面接枝氧化石墨烯的最佳制备工艺为:氨基化氧化石墨烯的浓度为0.2 mg/ml,氨基化氧化石墨烯超声时间4小时,碳纤维和氨基化氧化石墨烯反应时间24小时,碳纤维表面粗糙度增加并且接枝的氧化石墨烯均匀,提高了碳纤维力学性能。 (3)在含量为1 wt.%的碳纤维表面接枝氧化石墨烯增加了碳纤维表面粗糙度,提高了碳纤维与铜之间的结合强度,使CF-GO/Cu复合材料力学性能和摩擦学性能提高。随着碳纤维表面接枝氧化石墨烯含量的增加,复合材料相对密度逐渐降低,但保持在95%以上,电导率和热导率逐渐降低,抗拉强度和布氏硬度先升高后降低,摩擦系数和磨损率先降低后升高。在碳纤维表面接枝氧化石墨烯的含量为0.2 wt.%时,复合材料抗拉强度和布氏硬度最高,分别为344.35 MPa与54.47 HB,相比于未接枝氧化石墨烯的复合材料分别提高24.6%和24%,随着载荷增大摩擦系数逐渐增大,在试验过程中滑动速度和行程分别为10mm/s和5 mm,试验载荷为10N,磨损率最低为3.25×10-4mm3/Nm,相比于未接枝氧化石墨烯的复合材料,磨损率降低55.2%。复合材料磨损形式有磨粒磨损和剥层磨损。

关键词： 气凝胶   蜂窝夹芯结构   超材料   吸波机理  

摘要： 随着通讯技术飞速发展,电子战成为现代化战争的焦点。雷达探测技术能够获取海、陆、空战场全时段的战略情报,已成为军事侦察的重要手段之一。实现军事装备的隐身有利于提高武器系统的反侦察和敌后打击能力,同时雷达天线系统作为现代化战役的基站,需要兼备电子信息侦察与反侦察能力。吸波材料可以将电磁波转化为热能进行损耗,大幅提高武器装备隐身性能。因此,开发高性能吸波材料与吸/透一体化材料以适应多元军事化场景已成为现阶段的迫切需求。 石墨烯气凝胶填充蜂窝夹芯复合材料具有诸多优点,已得到国内外研究学者的重视。首先,气凝胶轻质多孔、大比表面积的特性克服了传统石墨烯粉体团聚和阻抗失配的弊端;其次,蜂窝夹芯结构型复合材料具有轻质、高刚度、隔热等特性,与气凝胶结合极大拓展吸波带宽,同时解决气凝胶弱承载能力的问题;此外,通过设计亚波长单元尺寸的超材料实现对介电常数和磁导率的人工调控,满足军事装备对多样化电磁性能的需求。因此,本文以制备兼具吸波-承载性能的复合材料和吸/透一体化材料为研究目标,以细菌纤维素(BC)、氧化石墨烯(GO)为原料原位制备了RGO/BC气凝胶(文中简称为“石墨烯气凝胶”),结合有限元仿真和一体化成型工艺获得了宽频吸波/抗低速冲击复合材料。同时将蜂窝夹芯结构与超材料有机结合,设计了吸/透一体化复合超材料。主要研究内容如下: (1)石墨烯气凝胶复合材料: 采用冷冻干燥和低温原位还原工艺制备石墨烯气凝胶,并探究还原时间对其微观形貌、成分结构、电磁参数及吸波性能的影响。得益于RGO片层和BC骨架所搭建的“珊瑚状”导电网络,电磁波在材料内部进行多重反射和散射,同时RGO产生的介电损耗(偶极子极化、界面极化和导电损耗)使其具有出色的吸波性能。最终,当还原时间为12 h时,气凝胶最大反射损耗为-38.52 d B,有效吸收带宽为6.68 GHz。 (2)宽频吸波/抗冲击复合材料: 基于上述最优吸波性能气凝胶的电磁参数,建立石墨烯气凝胶填充蜂窝夹芯复合材料物理模型,采用有限元仿真手段研究芳纶蜂窝孔径尺寸和气凝胶填充高度对吸波性能的影响。当填充高度为4 mm时,有效吸收带宽高达11.67 GHz,基本覆盖了C波段、X波段和Ku波段。结合简易一体化成型工艺制备的复合材料实测结果、史密斯圆和电磁场云图等阐释了复合材料电磁波损耗机制。此外,复合材料的力学性能优良,弯曲强度为41.9 MPa、弯曲模量为3.78 GPa,抗低速冲击吸收能量为14.86 J。 (3)吸/透一体化复合超材料: 将蜂窝夹芯结构与超材料有机结合,设计“叠环嵌套”结构的吸/透一体化复合超材料。石墨烯气凝胶选择性填充在芳纶蜂窝芯中,构建具有“环带状”蜂窝损耗层,并与基于导电碳膜的底层“环块嵌套”选择反射层相对应。通过调控气凝胶、蜂窝、导电碳膜和介质板的相关参数(高度、边长、厚度等),模拟优化复合超结构的吸波/透波性能,最终同时获得透波窗口(2～2.45 GHz)和吸波窗口(9.21～12.41 GHz),保证电磁波信号在低频发射/接收和高频吸收。利用表面电流分布阐述不同频率下吸波和透波的作用原理,并基于雷达散射截面(RCS)缩减进一步验证了吸波和透波效果。此外,该结构设计的对称性保证了复合超材料在0°～30°入射角范围内具有良好的角度稳定性。

关键词： 石墨烯   凹坑结构   传热与流动特性   电热元件   热舒适性  

摘要： 随着清洁供暖形式发展迅速,电采暖方式受到的关注度日益提高,暖风机作为常见的电采暖设备,也广泛应用于居民供暖、工业生产采暖等领域。为了提高暖风机核心部件电热元件的可靠性与其传热流动特性,基于石墨烯强化金属表面辐射传热和凹坑减阻与强化对流传热特性,设计研发了一种新型结构电热元件。通过实验和数值模拟对新型电热元件传热与流动特性进行了分析,并基于该新型电热元件制备了暖风机,进一步开展了热舒适性测试与分析。 基于设计并搭建的石墨烯金属表面发射率与温升特性实验系统,获得涂覆石墨烯的铝基板表面平均发射率从0.25增加到0.94,铝基材表面升温速度提升约为40%,表面温度从97.2℃降到81.6℃,降低约19%。基于风洞测试实验平台,具有凹坑结构的电热元件相较于光滑表面的电热元件Nu值增加约6.22%,阻力系数f减少约1.98%,PEC值为1.0693,发现凹坑结构具有减阻和强化传热的效果。相较于光滑表面,涂覆石墨烯后电热元件Nu值增加约30.3%,电热转换效率提高约6%。 利用数值模拟方法,分析了凹坑直径、间距等因素对电热元件流动与传热特性的影响,结果表明:相较于光滑表面,具有凹坑结构的电热元件周围流线更为密集,凹坑内部存在微小旋涡,表面温度更低。凹坑结构有效破坏了热边界层和流动边界层,同时延后了电热元件边界层的分离,使电热元件下游的旋涡面积明显减小。电热元件的Nu值随Re数增加而增加,f值随Re增加而减小;在Re=1331～3329范围内,凹坑结构比光滑表面的电热元件Nu值增加约15.9%,f值减少约3.5%。相同Re下,电热元件的Nu整体趋势是随凹坑直径增大而减小、随凹坑间距增大而增大、随凹坑深度增大先减小再增大。阻力系数f的整体趋势是随着凹坑直径增大而增加、随着凹坑间距增大而减小、随着凹坑深度增大先增大再减小。通过最小二乘法获得了不同凹坑结构电热元件的Nu值、f值与Re数之间的准则关联式。 对耦合石墨烯与凹坑结构的新型暖风机进行了热舒适性分析,结果表明:相对于具有光滑表面电热元件的暖风机,前述新型暖风机温升过程中,受试者四周温度提高约4.8%,身体局部部位感觉更温暖;分析红外热像仪获得的云图发现,受试者身体表面温度最高提高约36%。

关键词： SiC复合材料   金刚石   AlN   石墨烯   导热性能  

摘要： 在当今人工智能技术迅猛发展的背景下,电子设备的热管理问题变得日益重要。SiC复合材料以其高强度、良好的热导率、低热膨胀系数及密度等特性,展现出作为热管理材料的巨大潜力。 本文分别采用反应烧结、SPS液相烧结、SPS固相烧结制备了SiC复合材料,研究了配方组成、制备工艺对复合材料性能特别是导热性能的影响。主要研究如下: （1）在真空液相渗硅工艺中,提高成型压力会降低生坯的孔隙率,增大复合材料体积密度,降低硅含量,但是过高的成型压力反而会导致致密度降低,并出现残留碳。成型压力为80 MPa的复合材料具有最高体积密度与热导率,分别为3.12 g/cm3和138.6W/（m·K）。加入金刚石能够提高复合材料热导率,但会导致致密度降低。40 wt%的325μm金刚石能够使复合材料的热导率增加至210.8 W/（m·K）,提高约52.1%。引入镀层能够减少金刚石石墨化程度,提高热导率和致密度,相同粒度和含量的Cr镀层金刚石制备的复合材料热导率为221.2 W/（m·K）,热导率提高了4.9%。 （2）球磨可以调整SiC粉体的粒度和形貌,改变了粉体颗粒的堆积结构,影响了SPS液相烧结过程中液相硅在样品内的流动和填充,进而影响了复合材料性能。12 min球磨粉体制备的复合材料致密度较高,热导率达到152.8 W/（m·K）。加入金刚石后,SPS液相烧结复合材料的致密度下降,但热导率得到提升,40 wt%的325μm金刚石能够使复合材料的热导率增加至184.4 W/（m·K）,提高约20.6%。引入镀覆金刚石会降低复合材料热导率,这是因为SPS降低了烧结温度,减小了金刚石石墨化程度,镀层并没有发挥抑制金刚石石墨化的作用,反而作为界面增加了热阻,导致了声子散射,从而降低了复合材料热导率。 （3）利用SPS固相烧结制备了石墨烯/SiC、AlN/SiC和石墨烯/AlN/SiC复合材料。烧结温度为2000℃,1 wt%石墨烯/SiC复合材料获得最高的热导率为97.7W/（m·K）。高于5 wt%含量的石墨烯会影响材料致密化,反而导致热导率降低。AlN的加入会显著降低SiC的烧结温度,烧结温度为1700℃,35 wt%AlN/SiC复合材料相对密度达到99.1%。然而,AlN与SiC之间的固溶反应产生大量的缺陷,AlN的加入反而导致材料导热性能下降。在石墨烯/AlN/SiC复合材料体系中,AlN的加入促进了石墨烯/SiC复合材料的致密化,而石墨烯的加入在一定程度上抑制了AlN/SiC复合材料的固溶。

关键词： 透射型超表面   波束控制   W波段   高增益天线   石墨烯  

摘要： 近年来,超表面以其独特的电磁特性成为电磁学领域的研究热点。其通过调控入射波的相位与振幅,能够实现波束的灵活重构,从而赋予波束控制技术更多的灵活性和应用潜力。然而,随着研究频率迈入毫米波段,超表面中的有源器件损耗问题愈发严重。而石墨烯以其出色的电可调特性在毫米波段崭露头角,有望成为超表面的理想开关器件。鉴于此,本文聚焦于石墨烯超表面波束控制天线的研究。一方面,利用基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)馈电贴片阵列天线作为馈源,旨在降低天线系统的整体剖面;另一方面,利用石墨烯超表面的相位可调特性,实现了天线的多波束切换和波束扫描功能。本文的主要研究内容如下所述: 1.基于SIW馈电技术的贴片阵列天线研究。针对W波段中微带传输损耗严重和喇叭剖面高的问题,本文提出采用SIW馈电技术设计贴片阵列天线,以替代传统馈源天线。该天线采用紧凑型的SIW功分器结构作为馈电网络,有效实现顶层辐射贴片的高效馈电,并实现天线的小型化设计。通过优化顶层辐射阵列布局,成功实现了电磁波相干叠加,进而满足所需的高增益需求。最后,对SIW馈电贴片阵列天线进行加工测试。实验结果表明,在84-86 GHz频段内,该天线增益超过23.9 d Bi,辐射效率高于0.8,并展现出良好的辐射方向性。相较于同频段同类型天线,该天线不仅实现了高增益,还兼具宽带宽的优异性能。 2.基于石墨烯的波束控制超表面天线研究。针对W波段超表面中面临的有源器件损耗严重,及传统相变材料稳定性不足的问题,本文提出采用石墨烯作为超表面相变材料。研究中设计了两种石墨烯片与金属结合的透射型超表面结构,利用石墨烯的电可调特性及广义斯涅尔定律,实现了超表面单元180°相位翻转。随后,依据相位补偿公式,完成了12×12的编码组阵设计,并采用本文设计的阵列天线为这两种超表面阵列馈电,从而实现了多样化的波束控制功能。具体而言,第一种单层透射超表面天线实现了从单波束到多波束的转换,并具备双波束和四波束的最大63°扫描范围;而第二种双层耦合透射超表面天线则实现了单波束最大45°扫描范围,并具备从单波束切换至六波束的功能。经对比同类型波束控制超表面天线,本文设计的两种超表面天线在扫描角度、波束切换数量以及增益方面均表现优异。