关键词： 等离激元   石墨烯   温度调控   暗光子  

摘要： 等离激元是一种在金属、半金属以及半导体的材料中发现的局部电子与入射电磁波耦合从而引起电子集体震荡的现象,这种集体震荡会在材料表面发生强烈的电磁聚集效应,并产生沿材料表面传播的电磁波,也称表面等离激元。在传统的金属材料中,强烈的声子散射作用和朗道阻尼效应使等离激元的传播损失高,频率响应窄,极大的限制了等离激元的有效性和应用范围,而石墨烯这种二维材料不仅可以抑制等离激元的衰减,而且具有更强的电磁场局域性、电导率动态可调等优点,使得石墨烯成为等离激元有效应用的一个理想平台。本文围绕石墨烯等离激元的传播特性、调制方法、探测应用等方面,进行了深入研究。具体研究内容如下: 首先,提出了一种本征石墨烯的三维周期性有限结构,通过物理推导得出结构的等离激元色散关系,突破了传统等离激元的激发需要额外匹配机制的限制。传统等离激元的色散曲线远高于入射电磁波的色散曲线,必须配置Kretschmann装置或者使用Bragg散射技术,进行波矢匹配才能激发等离激元。本结构的色散曲线与入射电磁波存在交点,使得入射电磁波和等离激元可以相互激发而不需要额外的波矢匹配机制。此外,匹配点对温度也具有自适应性,实现了用温度调制等离激元。 进一步,通过结构中石墨烯等离激元与光子相互激发的特性,实现了暗光子的探测应用。利用修正的麦克斯韦方程组和系统中的流体动力学模型,推导出等离激元的色散修正。因为暗光子与普通光子存在动力学混合,那么此时色散关系会发生关键性的变化—色散曲线中存在动量间隙,从而探测到暗光子的存在。

关键词： 钠掺杂石墨烯   脑电图   高密度头皮电极   听觉诱发电位   睡眠调节  

摘要： 近年来,随着脑科学及人工智能的迅速发展,高密度的头皮脑电图采集技术备受关注,尤其在与日常相关的脑机接口应用、构建脑电图语言识别系统及诊断和治疗神经以及脑功能疾病方面发挥重要作用。本课题采用电子辅助热丝化学气相沉积系统制备了一系列自支撑钠掺杂石墨烯(NaG)微电极,研究了Na掺杂剂量对NaG形貌、成分及脑电响应性能的影响。研究表明,各种NaG电极均是由横向生长的钠掺杂石墨烯纳米片组成的自支撑管状微电极,Na原子含量范围可达到0.46～1.39%。对于NaG微电极,Na颗粒增加了石墨烯纳米片之间的距离,这增强了NaG壁的吸水性,使微腔能够储存水和汗液。测试发现Na原子含量为1.39%的NaG电极具有仅为5.58 kΩ的低头皮接触电阻和10.3 d B的高EEG信噪比。此外,由19个优化了的NaG微电极组装的高密度头皮脑电电极记录听觉诱发脑电信号,其信噪比高达43.6 d B,这一特性证明了其在单词发音语义解码和睡眠调节中的潜在应用价值。

关键词： 石墨烯/铜复合材料   压缩   拉伸   纳米压痕   分子动力学  

摘要： 铜是人类文明中最早发现并加以利用的金属,由于其卓越的导电性、导热性和耐腐蚀性,到了现代仍在电力设备、电子器件等工业领域中发挥着重要作用。但是,铜的强度和机械性能逐渐难以满足人们的需求,研发具有更高力学性能的铜基复合材料成为拓展铜应用的关键。石墨烯和铜一样具有优良的导热、导电性能,同时还有着极高的强度和极大的比表面积,是铜基复合材料的理想增强相材料选择之一。 在本文的研究中,首先建立石墨烯/铜复合材料的三维模型,然后基于分子动力学方法实现了复合材料的压缩、拉伸和纳米压痕仿真,模拟在生产制造工艺中这些常见的力学行为,并研究了其相关性能的影响因素。在压缩和拉伸的过程中,根据纯铜和复合材料位错演变的规律,揭示了石墨烯增强相主要通过阻碍位错和吸收载荷来大幅提高复合材料的机械强度。通过改变石墨烯片层的数量和堆垛方式,证明了位错阻碍作用依赖于两相界面,有显著的体积效应。还研究了铜基底的晶格取向和环境温度的影响,结果分别表明[110]取向的铜基底力学性能最好,而材料的力学性能则与温度值呈负相关。在纳米压痕实验的模拟中,主要研究了基底的晶格取向、石墨烯涂层厚度和石墨烯插入层位置等条件对压痕力学性能的影响。结合载荷-位移曲线和微观原子结构变化情况,分析了不同晶格取向时压痕载荷与基底密排面关系,以及石墨烯对位错增值的阻碍和限制作用。 本文的研究在微观角度上解释了石墨烯添加相在复合材料中发挥增强作用的原因与机制,揭示了力学性能与材料内部位错缺陷的关系,对石墨烯/铜基复合材料的结构设计和性能优化有着相当的参考价值。

关键词： 气凝胶   石墨烯   低红外发射率   电磁性能   雷达/红外兼容隐身  

摘要： 如今,随着雷达/红外探测技术在军事领域的进步,为了应对探测器发展带来的雷达/红外威胁,对雷达/红外兼容隐身技术的需求日益迫切。雷达吸波材料旨在提高微波吸收与耗散能力;红外隐身材料大多集中在低发射率材料和隔热材料,物体的辐射强度取决于其温度和红外发射率。石墨烯作为新型碳材料,具有特殊的二维片层结构和优异的物理化学性质,密度小,导电性好(6000 S·cm-1),比表面积大(1000m2·g-2)等优点。然而,单一组元的石墨烯存在红外发射率高、损耗机制单一等缺点。为了克服这一缺陷,通常采用材料复合和结构设计两种策略。针对以上问题,本文提出了以下策略,将介电材料RGO与低发射率材料AgNWs和磁性材料Fe3O4分别进行复合改善其红外发射率高、损耗机制单一等缺点;另一方面通过构建新的气凝胶结构,提高材料的阻抗匹配、衰减特性以及红外性能。研究内容和结果主要为以下几点: （1）以硝酸银为银源,乙二醇为溶剂和还原剂,采用一步化学水热法多元醇热法制备了AgNWs。多功能柔性AgNWs/尼龙Janus薄膜采用真空辅助过滤方法制造。X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）用于分析和表征AgNWs的结构,表面元素,晶体形态。在此基础上,详细分析和研究了AgNWs含量对Janus结构AgNWs/尼龙复合薄膜微观形貌、电导率、EMI SE和红外发射率的影响。结果表明,具有最佳长径比的AgNWs交织在一起形成密集的网络结构,实现了高EMI SE（90 dB）,且降低了红外发射率（0.15）。 （2）通过冷冻干燥法和热还原法得到具有规律层状结构的AgNWs/RGO气凝胶,并且调节AgNWs与GO的体积比（即AgNWs:GO=1:1/3:1/5:1）,然后进行热还原（200℃,2 h）,SEM和TEM观察气凝胶的微观层状包裹结构,XRD和XPS表征其组成结构,并测试其吸波性能和红外性能。结果表明RGO气凝胶层具有优异的阻抗匹配特性,AgNWs/RGO气凝胶在低填料比（10%）下,RLm i n=-51.1 d B（13 GHz）,EAB=6.5 GHz;同时随着低发射率材料AgNWs含量增多,AgNWs/RGO气凝胶的红外发射率降低为0.27。 （3）采取简单的一步法制备Fe2O3纳米片和hummers法制备氧化石墨烯,进行冷冻干燥得到Fe2O3/GO气凝胶,随后进行高温退火（500/550/600℃）得到电-磁双介质Fe3O4/RGO气凝胶。SEM、TEM观察其微观形貌,XRD、XPS分析Fe3O4还原程度,最后对样品电磁参数和红外性能的测量。结果表明:电-磁双介质Fe3O4/RGO气凝胶具有优异的吸波性能,在材料厚度为3.4 mm时,RLmin=-47 d B（6 GHz）、EAB=2.1 GHz（4.8-6.9 GHz）。Fe3O4/RGO气凝胶在辐射温度为120℃时,与热辐射源温差为60℃,具有优异的隔热能力。

关键词： 超级电容器   锌离子混合电容器   石墨烯   水系对称超级电容器   碳纳米管  

摘要： 超级电容器拥有快速充放电特性、高功率密度和优异的电化学稳定性等优点,在众多器件中被广泛应用。这其中,锌离子混合电容器将电池和电容器的优势有机结合,被认为是最有应用前景的能量储存器件之一。为了打破锌离子混合电容器较低能量密度的瓶颈,提升电极材料被认为作有效的途径。碳材料,特别是石墨烯物质,由于具备出色的稳定性、优异的传输特性,至今仍被广泛研究。为了解决石墨烯存在的堆叠问题,本文将通过两种方式进行改进:采用碳纳米管及天然石墨作为原料分别得到石墨烯基复合材料,并构建不同类型的电容器包括水系对称超级电容器和锌离子混合电容器进行电化学测试来提升器件的能量密度。本文主要研究内容如下: （1）利用碳纳米管物质作为原料,使用改良的Hummers法对其进行切割,后又经低温热还原处理得到功能性石墨烯纳米带物质（GNR）。受益于碳纳米管独特的准一维结构和表面丰富的含氧官能团,处理后材料的性质得到稳定提升。优化后的GNR-200样品在0.5 A g-1下实现了225.9 F g-1的高比电容,同时具备优异的循环稳定性（10000次循环后寿命为98.86%）。在1 M Na2SO4电解质中组装的GNR-200//GNR-200对称超级电容器具有15.52 Wh kg-1的能量密度(功率密度600 W kg-1),20000次循环后的电容保持率为92.85%。GNR-200作阴极,在2 M ZnSO4电解液中组装的锌离子混合电容器在0.1 A g-1的电流密度下表现出85.42 mAh g-1的比电容,能量密度高达68.33 Wh kg-1(100 W kg-1)。 （2）采用天然石墨作为原料,通过改良的Hummer法得到石墨烯/MnO2复合材料,其中MnO2纳米片作为模板防止石墨烯团聚,经热处理去除模板,制备得到致密的石墨烯复合材料（DSG）。独特的支撑体结构使得石墨烯片层之间存在空隙,从而增强电子或离子传输的动力学过程。此外,DSG-600电极在三电极体系中实现了248.67 F g-1的高比电容,循环寿命经过10000次循环后达到92.25%。组装的DSG-600//DSG-600水系对称超级电容器,在1 M Na2SO4电解质溶液中可提供17.69 Wh kg-1的能量密度,10000圈循环后寿命仍能保持98.13%。利用锌离子混合电容器测试,在0.1 A g-1的电流密度下表现出96.54 mAh g-1的比电容和59.6 Wh kg-1的能量密度,同时具备良好循环稳定性（10000次循环后容量保持85.52%）、高可逆性及倍率性。

关键词： 石墨烯   二氧化钛   二氧化硅   润滑   减摩抗磨   润滑机理   分子动力学模拟  

摘要： 摩擦过程中会产生大量的热量,而热量的产生和消散会浪费大量的能量,同时摩擦引起的磨损也会导致机械部件表面损坏,降低机械装置的可靠性和安全性。在全球范围内,因为润滑不足造成的安全事故数不胜数,这严重的威胁着人们的生命安全。此外,随着科技进步,润滑剂的需求量迅速增长,润滑油产业的发展也极大地影响着国家经济。因此,研究出能够大批量生产的高性能润滑剂具有重要的社会意义和经济价值。然而,传统的油基润滑剂在实际应用中性能不佳,且可能引起严重的环境污染。因此,迫切需要研究出具有高性能的绿色润滑剂。此外,由于摩擦过程涉及多尺度变化和多领域知识,其润滑机理研究仍是困难重重。为有效地解决上述问题,在本工作中进行了以下研究: （1）首先采用经济高效的机械混合法将石墨烯与纳米颗粒进行复合,制备了一种新颖的具有独特“三明治”结构的三维多孔石墨烯和纳米二氧化钛（G@Ti O2）复合材料,并将其添加到植物基油中,制备了环保型纳米润滑剂。随后,对其润滑性能进行了研究。 研究结果表明,该润滑剂在不额外使用分散剂的情况下能够稳定分散超过三个月。这为制备自分散润滑油添加剂提供了重要的启示。研究发现,添加G@Ti O2可显著提高蓖麻油的极压承载能力（150%）、减少摩擦（25.13%）并改善耐磨性（30.63%）。这表明该润滑剂具有良好的承载能力和优异的减摩抗磨性能。结果还发现,单独使用三维多孔石墨烯或TiO2纳米粒子并不能显著改善上述性能,甚至会损害其性能。然而,G@Ti O2复合材料的协同效应可有效增强油膜强度,改善减摩和抗磨损性能。相较于前两者,减摩效果分别提高了30.47%和21.39%,抗磨性能分别提高了48.16%和42.46%。随后,研究通过试验验证、物理表征技术和分子动力学模拟分析相结合的多尺度分析方法,系统地阐明了各种协同增强机制。首次揭示了一种新的纳米材料与润滑剂间协同效应。石墨烯在接触表面的滑动和材料层内的滑动,防止了油膜受到过度剪切,增强了油膜强度。这使得基础油的润滑性能被显著提高。 （2）后续研究中,为进一步优化石墨烯/纳米颗粒复合添加剂的分散性和拓宽应用领域,创新性地采用了聚羧酸减水剂对三维多孔石墨烯进行改性,实现了其在水中的有效分散。随后,将改性石墨烯与纳米二氧化硅复合,成功制备了全新的聚羧酸减水剂官能化的三维多孔石墨烯和二氧化硅（PG/SiO2）纳米复合材料。随后,添加极低含量的PG/SiO2到水性基础润滑剂中,制备出了一种绿色无污染的水基润滑剂,并通过四球法测试了其摩擦学特性,以探究其应用的可能性。 结果发现,PG/SiO2具有良好的协同效应,可有效改善极压性能（PB/PD）,最大改善率分别为39.7%和86.3%。同时,还能明显提高基础油的减摩性能（35%）和抗磨损性能（72.2%）。此外,研究还通过物理表征方法,揭示了具有"三明治"结构的PG/SiO2复合材料产生了的“滚珠效应”和“吸附膜”等协同效应,从而有效地提高了基液的摩擦学特性。重要的是,还通过分子动力学模拟、均方根位移和相互作用能分析,系统地阐明了聚羧酸减水剂提供的长链对三维多孔石墨烯吸附能力的影响,从而揭示了这种被长链修饰的PG/SiO2对摩擦学特性的增强机理。

关键词： 石墨烯/镁复合材料   力学性能   位错   冲击   分子动力学  

摘要： 单晶镁（Mg）是一种轻质金属,由于其高的比强度和比刚度,优异的减震性能、导电导热性能、电磁屏蔽性能,以及在地壳中储量丰富等优点,使其在多个领域具有广泛的应用前景,特别是在轻量化、节能减排、航空航天、生物医用等方面具有独特的优势。因其密排六方结构室温下塑性差,加工易裂,高温性能不佳,限制了其应用范围。石墨烯（Gr）是一种比表面积大、强度高的二维材料,常常被作为一种增强体使用。石墨烯与金属镁复合后,不仅可以增强镁的表面性能,还能对石墨烯片施加约束,从而产生了新的协同效应,这大大提升了复合材料的整体性能。本研究构建了石墨烯/镁（Gr/Mg）复合材料的分子动力学（MD）模型,并对Gr/Mg复合材料在受到拉压、剪切和冲击载荷时的机械特性进行了深入探讨。主要涵盖以下四个方面的内容: （1）探讨了单晶Mg和Gr/Mg在拉伸过程中的变形机制。Gr/Mg复合材料的断裂应力与断裂应变在Gr为锯齿型方向拉伸所得到的值明显高于扶手椅型。单晶Mg和Gr/Mg复合材料在拉伸作用下展现出强烈的各向异性特征。复合材料由于Gr的加入,基体中孪晶现象减少,由HCP相向其他相晶体转变速度减慢,石墨烯的存在可以阻碍镁基体的破坏,从而提高复合材料的拉伸强度。加入Gr使得复合材料中的位错到达Gr表面并无法贯穿,阻碍了位错的发展。除此之外,适当增加石墨烯的层数,可以提升复合材料的拉伸极限强度和断裂应变。 （2）探究了单晶Mg和Gr/Mg复合材料的压缩变形机理。Mg和Gr/Mg复合材料在压缩过程中同样展现出显著的各向异性特征。引入石墨烯使得原本在镁基体中难以启动的滑移系因晶粒的细化而被激活,有助于释放内部应力。同时导致了孪晶激活应力增加,抑制了孪生变形;位错、孪生等缺陷在石墨烯界面附近形核增殖,并逐渐向材料边缘延伸,界面有效地阻碍了位错传播。阻碍镁基体的进一步破坏,复合材料在塑性阶段的平均流动应力显著提升。多层石墨烯的复合材料中石墨烯层数越多,复合材料压缩屈服应力、屈服应变及塑性变形阶段的平均流动应力越大。 （3）研究了Mg和Gr/Mg复合材料的剪切力学性能。Gr/Mg复合材料在剪切过程中经历了弹性阶段、屈服阶段以及破坏阶段。Gr的加入显著增强了Gr/Mg复合材料的剪切强度。温度可以显著影响Gr/Mg复合材料的力学性能,随着温度的上升,动能增加,分子的运动也随之变得更加剧烈,使得材料出现软化现象,从而使其力学性质受到影响。在选定的应变率区间(0.001～0.01 ps-1)内,随着应变率上升,单晶Mg和Gr/Mg复合材料的拉伸、压缩和剪切强度方面的变化幅度相对较小,这表明应变率对金属镁及其复合材料的机械性能影响不显著。 （4）探讨了单晶Mg和Gr/Mg复合材料在弹头冲击作用下的力学特性。冲击过程可以分为三个阶段:压入阶段、侵彻阶段和冲出阶段。Gr/Mg复合材料具有更高的抗冲击能力,比单晶Mg提升了38.00%。随着冲击速度的增加,弹头最大冲击载荷的值不断升高,而动能损耗率不断降低。石墨烯层位于Mg基体上方时,弹头速度降低更早,当石墨烯位于Mg基体中部时,可以更加有效的阻止弹头的冲击。单层Gr/Mg模型相对于纯Mg来说所能承受的冲击荷载增加了27.52%,双层Gr/Mg模型增加了69.88%。石墨烯层数越多,靶板承受冲击载荷的能力越强,能量损耗率越高。研究发现,Gr的加入显著增强了Gr/Mg复合材料对冲击的抵抗能力。

关键词： 水系铝离子电池   普鲁士蓝类似物   石墨烯   原位生长   氧化钼  

摘要： 锂离子电池（LIBs）一直是当今储能领域的典型代表,然而它们自身固有的安全性问题和锂资源短缺问题,都表明急需找到一种可代替锂离子电池的新型储能系统。水系铝离子电池（AAIBs）因具有成本效益低廉、安全性高和环境友好的特性,近年来逐渐走向大众的视野。然而,其自身还面临着很多的挑战,其中最重要的是找到合适的电极材料。普鲁士蓝（PB）及其类似物（PBAs）是一种具有可调成分和开放框架的配位聚合物,其具有丰富的活性位点、高比表面积及结构灵活可调等优势,可作为电化学能量存储和转换的电极材料,然而,它们自身的低电子导电性和在高电荷密度客体离子存储过程中较差的结构稳定性,阻碍了它们在能量转换和储存方面的进一步应用。本文将PBAs用作AAIBs的正极材料,研究了其电化学性能,同时通过一定的形貌结构设计和改性方法来优化Fe-CoPBA及其复合材料在作为AAIBs正极材料时的电化学性能,并研究了其储铝反应机理,主要研究内容及结论如下: （1）以乙酸钴和铁氰化钾作为金属源,二水合柠檬酸三钠作为络合剂,采用简单的共沉淀法制备了Fe-CoPBA纳米多孔结构。结果表明,二水合柠檬酸三钠在颗粒生长过程中发挥了非常关键的作用,能够诱导实心的Fe-CoPBA纳米立方体向面穿孔的纳米多孔立方体转变。获得的这种新颖结构不仅提供了丰富的活性位点,而且缓解了材料在充/放电过程中体积的膨胀/收缩,实现材料优异的结构稳定性。电化学测试结果表明,Fe-CoPBA纳米多孔结构在0.1A g-1的电流密度下,循环2000次后放电比容量仍可保持55 mA h g-1。此外,即使在更高的电流密度下经历长循环后,仍然有着非常可观的容量保持率。 （2）采用一种特殊的原位生长方法,将Fe-CoPBA原位锚定在还原氧化石墨烯（rGO）片层表面,制备出了一种可用于AAIBs的Fe-CoPBA/rGO正极材料。与物理包覆相比,Fe-CoPBA/rGO纳米复合材料有着更好的倍率性能和循环性能,在1 A g-1下具有高达66.7 mAh g-1的放电比容量。同时,通过密度泛函理论计算表明,Fe-CoPBA和rGO之间存在的强化学键改变了Fe-CoPBA材料的电子结构,从而提升了材料的电子电导率并降低了Al3+在宿主材料中的迁移势垒。 （3）为了探索Fe-CoPBA/rGO用作AAIBs全电池正极材料时的性能,首先通过不同的合成工艺制备了具有不同形貌的α-MoO3（片状、板状和棒状）负极材料并将其与石墨烯复合构筑复合材料,分别对其电化学性能进行了研究比较。结果表明,具有片状结构的α-MoO3表现出最佳的倍率性能和循环性能。同时,还进一步探究了片状MoO3在不同电解质中的电化学表现。基于上述结果,以片状α-MoO3作为负极、Fe-CoPBA/rGO作为正极组装成全电池,电化学测试结果表明,α-MoO3//Fe-CoPBA/rGO全电池在1 A g-1的电流密度下,进行2000次充放电循环后的放电比容量达到了53.6 mAh g-1,实现了水系铝离子全电池优异的储铝性能。