关键词： 热管理   石墨烯   水性涂料   动力学  

摘要： 电子产品和通讯设备的散热问题已成为制约产品集成化的关键瓶颈。随着技术的不断进步,设备尺寸不断缩小,产生的热量却不断增加,这使得散热问题愈发突出。为了解决这一问题,高性能热管理材料应运而生,成为行业研究的热点。其中,导热涂层作为一种高效、便捷的热管理方案,备受关注。通过在设备表面涂抹导热涂层,可以有效提高设备的散热效率,降低因过热而引发的故障。 本文首先以液相剥离法制备出石墨烯溶胶,接着以制备好的石墨烯溶胶作为导热涂层的导热填料,将其分散在高分子聚合物中制备出两种不同体系的石墨烯导热涂层（无溶剂型、水性）,最后分析了水性导热涂料的固化过程动力学,具体的研究内容如下: （1）石墨烯溶胶的制备:以膨胀石墨为原料,在自制的循环式超声粉碎机中采用液相剥离的方式成功制备出石墨烯溶胶,制备的石墨烯片径大小约为1-2微米,厚约为2-3层石墨烯。 （2）石墨烯/环氧导热涂层的制备:以上述制备的石墨烯作为导热填料,采用相反转的方式分散在环氧树脂中,在不锈钢基材上成功制备出石墨烯高导热涂层。研究发现,不同石墨烯含量的涂层材料散热性能有显著差异,当石墨烯添加量为9%时,导热率高达5.822 W·m-1·K-1,可快速实现散热。考虑散热涂层的实际工况,对涂层的综合性能进行测试,其耐腐蚀性能优异,且具有优异的耐交变温差性能。在实验条件下,对不锈钢基材,涂覆导热涂层后,其散热效果显著提高,相比于无涂层空白试样,室温下传热过程的最大温差可达5℃,零下80℃条件下的最大温差可达16℃。 （3）石墨烯水性导热涂层的制备:以上述制备的石墨烯作为功能添加材料,采用机械搅拌的方式分散在自制的水性乳液中,在不锈钢基材上成功制备了石墨烯水性导热涂层,用于增强散热效果。当石墨烯添加量为15%时,导热率高达9.499W·m-1·K-1,可快速实现散热。考虑散热涂层的实际工况,对涂层的综合性能进行测试,其耐腐蚀性能优异,且具有优异的耐交变温差性能。在实验条件下,对不锈钢基材,涂覆导热涂层后,其散热效果显著提高,相比于无涂层空白试样,室温下传热过程的最大温差可达11℃,零下80℃条件下的最大温差可达19℃。 （4）石墨烯水性导热涂层动力学分析:采用非等温DSC法分析了石墨烯水性导热涂料固化过程中的动力学,通过极值法和等转化率法分析该固化过程的表观活化能在75-80 k J/mol之间,通过分析转化率与反应速率之间的变化曲线推测该固化过程符合自催化模型,最后选取了两种自催化模型对石墨烯导热涂料固化过程中动力学变化进行了分析,发现Zhang-jin-Dong模型可以较好的描述该固化反应的动力学过程。

关键词： 砂岩结构面   氧化石墨烯   水泥基注浆材料   剪切力学特性  

摘要： 水泥基注浆材料在加固裂隙岩体和封堵涌水等方面发挥着重要作用，而氧化石墨烯改性水泥基注浆材料因其具有优越的力学性能等，近年来在加固岩体结构面研究方面受到越来越多的关注。为此，本文针对氧化石墨烯水泥基注浆材料加固砂岩结构面的剪切力学特性进行了深入研究。主要研究内容如下：　　（1）利用高精度3D雕刻技术，复刻了具有相同三维形貌结构面的自相似砂岩试样。试验探究了不同恒定法向应力条件下，水泥基注浆材料加固前后砂岩结构面的剪切力学性能，揭示了水泥基注浆材料对砂岩结构面剪切性能的增强作用;并明晰不同恒定法向应力条件下，水泥基材料注浆加固对砂岩结构面剪切性能的增强规律。借助声发射技术，捕捉岩石内部微小裂隙的声信号，从而辅助分析加固前后砂岩结构面的细观破坏过程。　　（2）通过掺入不同比例的氧化石墨烯对水泥基注浆材料进行改性，研究了不同恒定法向应力条件下，不同含量氧化石墨烯水泥基注浆材料对砂岩结构面剪切性能的影响。研究揭示，随着氧化石墨烯掺量的增加，剪切强度呈现出先增后减小的趋势，当氧化石墨烯的掺量为0.10wt.%时对水泥基注浆材料的优化效果最佳，剪切强度提高了27.51%-160.68%。声发射参数与数字照相结果显示，氧化石墨烯配比显著影响了其破坏模式，促使破坏模式由纯水泥材料的多次小规模破坏转变为大规模穿透破坏。　　（3）建立了不同注浆厚度的三维砂岩结构面数值模型，在LS-DYNA中通过删除失效单元的方式实现了有限元模型的裂隙扩展模拟，进行了不同法向应力下的直剪数值模拟研究。深入探究了氧化石墨烯水泥基注浆材料注浆厚度对砂岩结构面剪切性能的影响，模拟结果表明，随着注浆厚度的增加，注浆加固的效果呈现先增后减的趋势，注浆厚度为5mm时最佳效果。通过对结构面剪切全过程的应变场演化和单元损伤分析，揭示了氧化石墨烯水泥基注浆材料加固结构面的损伤演化规律，以及注浆厚度对结构面破坏的影响。

关键词： 可重构纳米天线   波束调控   吸收调控   超表面   石墨烯  

摘要： 随着纳米科技的迅猛发展与光学天线设计理念的深入探索,可重构纳米天线作为一种前沿技术,正在逐步展现出其独特的优势和应用潜力。可重构手段作为一种关键性的技术支持,使得天线的性能可以在不同工作需求下实现灵活调整和优化,特别是在近红外和太赫兹波段,可重构光学天线能够充分发挥其独特的波束控制、频谱响应以及能量利用效率,为实现高速、高效的无线通信和信息处理提供了强有力的支撑。本文结合可重构纳米天线多种实现方式,从发射天线和接收天线的不同需求出发,设计了三种具备动态可重构能力的新型可重构纳米光学天线,三个工作分别如下: 一、为了实现发射天线在近红外1550nm波段的辐射方向动态控制的能力,本文利用八木纳米天线结合单层石墨烯设计了一种具备波束动态可重构能力的天线。结合数值计算与仿真模拟,验证了石墨烯在方形硅介质天线上的良好调控能力,通过对其电化学势能从0 eV到0.8 eV的改变,实现了对天线波束方向180°调节,以及在几种天线工作模式下均超过90%的辐射效率。优化了石墨烯在天线上的表面分布,在将其覆盖面积减少3倍的同时,还实现了对天线方向系数以及波瓣宽度的提升。最后本文在介质天线中加入金属蝶形天线,通过选择合适的蝶形天线参数,大大增强了光源与天线整体的耦合强度,从而将方向系数从6.3 dBi提升至7 dBi。该方向可重构天线在近红外波段具备良好的动态波束调控能力,并且制备工艺简单。 二、为实现接收天线在近红外1550nm波段对入射光的动态选择性吸收,本文基于超表面结构,结合临界耦合薄膜增强吸收理论设计了一种在近红外具备吸收可重构能力的反射阵列式天线。通过选择合适的Ag-SiO2混合前透镜结构参数,实现了对薄膜材料石墨烯在近红外的吸收性质的极大增强,将超表面结构从原本的2.3%吸收率提升到了接近100%完美吸收。通过增加狭缝结构的对称性,对入射光场极高局域化耦合,将其束缚在狭缝结构与薄膜层相接处,实现了在近红外1550nm以及1910nm的双完美吸收,同时吸收峰的半波宽度不超过57 nm,属于窄带吸收,具备一定的抗干扰能力。并且该天线可以通过电化学势能动态的调控双吸收峰,实现了对吸收效率最大接近94%的调制深度,说明了该天线在近红外波段具备非常好的抗干扰,以及高灵敏探测性能。 三、为了拓展可重构天线工作的应用前景,本文将其工作场景拓展到了太赫兹波段,并且加入了温控相变材料VO2作为可重构天线的调控机制,大大提高了天线的调控自由度,最终设计了一种在太赫兹波段具备宽带混合可重构特性的超表面天线。该超表面天线的单元结构由多种金属介电混合材料堆叠嵌合组成,仿真结果表明,通过切换VO2的状态,太赫兹超表面天线可以在三波段吸收和超宽带吸收之间可逆转换,当VO2处于金属态时,实现了带宽为1.56THz的超宽带吸收,对应于3.21～4.77 THz的频率范围;当VO2处于介电态时,得到了太赫兹波段的三带吸收,三个吸收带的中心频率和吸光度分别为1.29THz 和 94.2%、3.94THz 和 99.9%、6.56THz 和 95.3%。并且VO2处于任意状态下时,都可再利用石墨烯的电化学势能对天线吸收峰进行调制,这种具有宽带吸收以及混合可调控能力的太赫兹光学天线,丰富了太赫兹波段的光学调控方法,对于拓展光学纳米天线的应用前景有着促进作用。

关键词： 石墨烯   耐高温   压力敏感元件   悬臂梁   背腔   柔性  

摘要： 本文深入探讨了当前国内外耐高温压力传感器的发展现状,特别关注了石墨烯压力传感器在高温环境中的应用潜力。根据调研发现当前国内的柔性压力传感器大都不耐受高温,而刚性压力传感器大多数也只能耐受350℃,不能满足恶略环境下的压力检测。为此,针对极端环境中精确测量的挑战,提出了基于石墨烯的耐高温压力敏感元件。石墨烯具有卓越的电学、力学和热学特性,并且应用场景广泛,因此,本文通过理论推导、仿真分析和实验验证的方法,系统地研究了耐高温压力敏感元件的结构设计、制造工艺及性能表现,主要研究内容如下: （1）石墨烯在本征状态下为零带隙,限制了其在诸多领域的应用。然而,研究表明外部压力或环境温度变化能够有效地打开带隙。为此,对石墨烯的力学和热学响应机制进行了系统研究。利用Materials Studio等仿真软件对石墨烯特性进行仿真,力学仿真结果表明在0～1%的应变下,沿锯齿方向拉伸石墨烯,带隙可增至201me V。温度仿真结果揭示了石墨烯键长随温度升高而增加的趋势。当温度约600 K时,石墨烯的键长达最大值。这些发现在设计新型石墨烯基传感器中具有重要意义。 （2）为了实现高温环境下高分辨率的压力测试,设计并加工了悬臂梁式耐高温压力敏感元件。根据COMSOL仿真确定结构尺寸,结合微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System,MEMS）工艺,完成了带有氮化硅（Si3N4）防护层的悬臂梁式石墨烯耐高温压力敏感元件的加工。根据测试,该元件具有高分辨率（1 Pa）并且在小压力范围内（50 Pa）具有优异的灵敏度(1.78×10-3 k Pa-1)和较低的非线性度（0.012%FS）。带有防护层的元件工作温度高达600℃,与未防护的元件相比提高了200℃,电阻温度系数为0.13%℃-1。该元件既可用于静态力测试（如称重）,也可用于流量等动态力的测试。该研究为大批量制备高分辨率的MEMS耐高温压力敏感元件提供了方向。 （3）为了适应不同的曲面,在各种形状和表面上实现精准压力监测,设计了一种柔性压力敏感元件。考虑到当前柔性压力传感器量程较小并且不耐受高温的问题,设计并加工了基于耐高温柔性基底的背腔式石墨烯耐高温压力敏感元件。背腔结构的引入提高了元件的测压范围,可达0.3 MPa。根据COMSOL仿真结果确定了衬底与基底材料以及结构尺寸,使用MEMS工艺,并根据衬底改进工艺参数完成了元件的加工。根据测试,元件在0.1 MPa以下灵敏度为0.24 k Pa-1,在12～24Pa下元件具有1.46 k Pa-1的灵敏度以及1 Pa的分辨率,非线性度为0.041%FS。此外,该元件还可以耐受150℃,并展现出0.10%℃-1的良好电阻温度系数。

关键词： 石墨烯表面等离激元   滤波器   吸收带宽   灵敏度  

摘要： 在十年内我们目睹了各种新兴技术给光电子产业带来的巨大变革,如硅基光电子、光子晶体、表面等离激元等。这些新兴技术使得各种光电子器件向更加小型化、集成化、超快速、多功能等方向发展。其中,表面等离激元是在金属与介质表面传播的特殊的电磁波,它不仅能够实现局域场的增强,还可以突破光的衍射极限,构建亚波长尺寸的光电器件。但是,传统的基于金属的表面等离激元存在一些弊端,例如无法实现动态可调和具有较高的欧姆损耗等,严重限制了其在集成光子学领域的发展。与此相比,石墨烯等离激元具有比入射波长更小的等离激元波长,更强的电场局域性,低的损耗以及费米能级的动态可调性,使基于石墨烯的表面等离激元成为了近年来的热点方向。 本论文的主要研究工作是利用表面等离激元的原理和性质设计含有石墨烯层的滤波器,实现对特定波长或者宽带波长的吸收和调控,并利用有限元法进行数值仿真和理论分析,主要的研究工作可分为以下几个部分: (1)利用石墨烯等离激元耦合设计了石墨烯圆环阵列、石墨烯开口圆环阵列、开口圆环和金块嵌套复合结构阵列三种带阻滤波器。首先,研究了石墨烯圆环阵列各环之间的耦合情况,分析了多吸收峰以及滤波效果不够理想的产生原因。其次,通过圆环开口来增强滤波性能,并且研究了圆环排列、圆环宽度、开口宽度和位置等因素对于圆环阵列的滤波效果的影响。最后,为了抑制圆环阵列和开口圆环阵列的次吸收峰,并增强主峰,利用谐振理论设计了开口圆环和金块嵌套复合结构,并分析了该结构的传感性能及其对费米能级的依赖关系。结果表明,当石墨环内外宽度一样,中间小的情况下,添加金块可以实现消除次峰、增强主峰的效果,只存在单一峰值22.7 THz,其吸收率约为88.9%,与未添加金属时相比,增加了35.6%。 (2)利用石墨烯局域等离激元设计了一种方型金环和石墨烯复合的宽带吸收器件。研究了石墨烯的存在、介质层间隔距离、方形金环尺寸、入射角和偏振角度对于吸收器的带宽和吸收率的影响。结果表明方形金环的宽度、介质层的间隔距离对于器件的吸收带宽有很大影响。其次,通过组合外环宽度不一样的两种金环提高了吸收器的带宽,并研究了费米能级和石墨烯层数对吸收器的影响。最后,通过方形金环的叠层设计,获得了具有更高吸收率和更宽的宽带吸收器,吸收带宽大于90%的带宽为2.67 THz,吸收率大于70%的吸收带宽为8.95 THz。 (3)利用干涉滤波理论设计了带有凹槽的平板带阻滤波器,研究了石墨烯的存在及其费米能级、凹槽的深度和宽度对滤波器的滤波效果,并进一步分析了该结构作为传感器应用的灵敏度和品质因子参数。研究发现这种滤波器具有比较高的品质因子和灵敏度为1466.67(nm/RIU),此时的凹槽宽度为60 nm,深度为130 nm,石墨烯费米能级为0.5 e V。最后,利用凹槽宽度和深度对吸收波长的影响,设计了对称和不对称的双凹槽结构滤波器,并研究了几何尺寸、费米能级对于这两种结构滤波器的影响。结果表明双凹槽结构可以抑制次峰生,产生更小的带宽,提高了滤波性能。

关键词： 太赫兹   超表面   生物传感   石墨烯   纳米银  

摘要： 太赫兹波是频率位于微波与红外光之间的电磁波,特殊的电磁频谱位置使其在高速通信、医疗安全和生物传感等领域具有广阔的发展前途和应用前景。然而,天然的材料与太赫兹波之间产生的相互作用和电磁响应是有限的,阻碍了新型的太赫兹光学器件的发展。超表面是人工合成的亚波长介电单元,可以利用特殊的结构设计来实现任意电磁波段的高效响应,使其在太赫兹传感、慢光器件和通讯等领域具有良好的应用前景。在生物传感领域,由于超表面对太赫兹波的局域增强,可以对太赫兹波的检测信号进行放大,因此,超材料已经成为太赫兹波段中的高灵敏度和无损检测的有利工具。在目前的太赫兹超表面传感的应用中,虽然可以直接对生物分子检测,但这种方法的灵敏度非常低,无法实现有效的检测效果。因此如何提高太赫兹生物传感器的灵敏度与检测范围成为目前急需解决的问题。为了提高超表面的检测效果,本文以超表面作为检测平台,结合新型的功能材料和纳米材料实现了低损耗、高灵敏的生物传感器。主要内容如下: (1)利用电磁仿真软件设计并模拟了太赫兹波段的多功能器件。使用二氧化钒和狄拉克半金属,通过外加激励信号改变有源材料的电导率实现了超表面由窄带吸收到宽带吸收切换。在窄带吸收时,模拟了超表面作为传感器的灵敏度,检测灵敏度可以到达402 GHz/RIU;在宽带吸收时,超表面在2.34-6.28 THz范围内的吸收率达到90%,这为动态调控超表面提供了一种新的研究思路。 (2)通过石墨烯与超表面的结合,并利用石墨烯中的π电子可以与苯环分子中的π电子相互作用的原理,设计了一种具有超灵敏特性的太赫兹超表面生物传感器,当酪氨酸作为被检测物质添加在超表面上时,由于石墨烯的掺杂效果使得传感器的透射率会随着添加的酪氨酸的浓度变化而变化,最低检测浓度为26.43fg/m L,而检测不具有苯环分子的精氨酸时的最低检测浓度为581.4 fg/m L,并通过引入石墨烯狄拉克点与费米能级的关系解释了传感器曲线随检测物浓度变化的关系。 (3)设计并制备了一种基于纳米银颗粒的超表面生物传感器,用于定性检测啶虫脒,由于纳米银颗粒的尖端效应,使得超表面的局域电场增强,使太赫兹波与分析物之间的相互作用增强,达到提升传感器灵敏度的效果。另外研究了10μL、20μL、30μL和40μL这四种不同含量的纳米银溶液对啶虫脒检测的影响。当纳米银溶液的浓度为30μL时,该超表面传感器的振幅变化更为明显,可检测低至100 pg/ml的啶虫脒溶液,实现了超灵敏检测。 图[33]表[4]参考文献[162]

关键词： 聚合物光波导   板级光互连   模分复用   垂直耦合器   石墨烯  

摘要： 聚合物光波导器件既具备微小尺寸、极低损耗、成本经济等特点,也具有高速率、大传输容量、免受电磁干扰等优势,对于板级光互连光链路中的模分复用技术及其系统而言,其具有广泛的应用前景。通过操控、引导光传输线路或光电集成电路中光信号的传输、分配和处理,可以有效地克服板级电互连方式在互连速率、互连容量、互连距离以及可靠性、稳定性和能耗等方面的问题,成为当前研究的重点。为了建立灵活性高、密度大、功能复杂的模分复用系统,研究用于实现复用、分光、光路切换等功能的高性能聚合物光波导器件至关重要,可以进一步提高板级光互连光链路中数据信息传输的容量和效率。 本文针对板级光互连光链路中的模分复用技术及其系统,对增大数据信息传输容量以克服“带宽瓶颈”问题的模式（解）复用器和实现光路灵活切换的热光模式开关展开研究,对器件进行结构设计和传输性能分析。主要研究内容如下: 1.提出了一种基于级联锥形垂直耦合器的聚合物模式（解）复用器。首先,利用有效折射率法分析矩形波导的模式,计算矩形波导在不同宽度下支持传输的模式的有效折射率,以确定波导尺寸,并构建基于级联锥形垂直耦合器的模式（解）复用器的结构模型。然后,通过光束传播法分析锥形垂直耦合器的结构参数对模式转换的影响,以优化器件的尺寸,并计算模式（解）复用器的模式耦合效率、消光比等性能指标。计算结果表明,在1.54μm-1.63μm（C+L波段）内,针对TE和TM偏振状态,E11模式与E12模式、E11模式与E21模式之间的耦合效率分别大于95.4%（96.1%）、92.1%（92.3%）,消光比分别大于18.9 dB（19.3 dB）、13.6 dB（13.8 dB）,额外损耗分别小于0.18 dB（0.20 dB）、0.35 dB（0.34 dB）,具有弱的偏振相关性和良好的波长跟随性。 2.提出了一种基于级联垂直非对称定向耦合器的热光模式开关,并将石墨烯（Graphene）作为电极材料掩埋到聚合物光波导的包层,实现了E11模式与E12、E22模式的高效、低能耗可控切换。首先,计算并分析矩形波导模式的有效折射率,以确定波导尺寸。然后利用有限元法和光束传播法对器件进行分析,以优化器件的结构参数,并分析模式耦合效率、消光比、串扰等性能指标。计算结果表明,在1.53μm-1.57μm（C波段）内,针对TE和TM偏振状态,E11模式与E12模式、E11模式与E22模式的耦合效率分别大于99.1%（99.3%）和97.1%（97.8%）,消光比均大于33 dB。两个加热电极的功率均小于5.3 m W,开关响应时间均小于103μs。

关键词： CuFe合金   石墨烯   复合材料   强度   延展性  

摘要： IC引线框架作为电子元件的重要组成部分,其引线材料的性能对器件的稳定性和可靠性有着直接影响。CuFe合金因其低成本、原材料丰富和特殊物理性能而被广泛应用于集成电路引线框架传统材料,然而CuFe合金在导电性、延展性和强度之间往往存在矛盾。石墨烯作为一种具有优异导电性和机械性能的二维材料,被广泛认为是解决性能矛盾的有效途径,已有研究表明加入石墨烯可以显著提升复合材料的导电性,但石墨烯对于复合材料的强度和延展性影响机制尚不明确。因此,本文选择了具有较高强度的非晶态CuFe3作为研究对象,旨在获得高强度高延展性的非晶态CuFe3/石墨烯复合材料。 首先,探究石墨烯嵌入方式对非晶态CuFe3强度和塑性的影响。通过快速凝固获得非晶态CuFe3,分别在非晶态CuFe3中沿拉伸方向插入半片石墨烯、一片石墨烯,其中插入一片石墨烯的情况可分为锯齿型与扶手椅型两种,利用分子动力学模拟方法探讨这三种嵌入方式对非晶态CuFe3的力学性能差异,研究发现石墨烯沿Z方向为锯齿型的嵌入方式对非晶CuFe3的强度提升作用最为明显。 其次,探究不同厚度晶态Cu3Fe对非晶态CuFe3的强度和塑性的影响。尝试在非晶CuFe3中引入除石墨烯以外的第二相——晶态Cu3Fe,探究不同厚度晶态Cu3Fe对非晶态CuFe3强度和塑性的影响。研究发现,晶体/非晶界面可以抑制非晶层中剪切转变区的传播,提高复合材料的屈服应力,晶体层中形成的Hirth位错可以有效的阻碍位错的滑移,提升复合材料的强度;晶体层厚度较厚的模型中固定位错含量更高,在塑性变形阶段可以有效的抵挡复合材料的断裂失效,进而提升其延展性。 最后,探究石墨烯和晶态Cu3Fe对非晶态CuFe3的共同强化机制。搭建包含石墨烯、晶态Cu3Fe以及非晶态CuFe3三种结构的复合材料模型,并且调控比例,得到多组不同体积比的“Cu3Fe/石墨烯/CuFe3”复合材料。研究发现,晶态Cu3Fe和石墨烯在非晶CuFe3中的嵌入使得复合材料强度大幅度提升,晶态Cu3Fe厚度的越厚,复合材料的强度提升越明显。对于晶体层厚度较厚的复合材料而言,由于石墨烯断裂后晶体层中产生了大量的位错,位错的产生和湮灭使得材料当中不易形成较大的剪切带,从而展现出较好的延展性。

关键词： 石墨烯-金属复合材料   激光诱导石墨烯   电化学沉积   成核机理  

摘要： 石墨烯具备优异的力学、电学以及热学特性，可作为增强材料来制备属性优异的石墨烯-金属复合材料，以满足柔性电子穿戴、高导铜线以及电子封装、航空航天等诸多领域的特殊应用需求。现有石墨烯的制备工艺存在工艺复杂、成本高昂等不足，限制了石墨烯的进一步推广应用。同时，石墨烯-金属复合材料的高效可控制备也面临着诸多难题，如石墨烯分散性欠佳、与金属基体间润湿性差、以及易产生界面反应。针对上述问题，本文将激光诱导石墨烯(LIG)与电化学工艺相结合，提出了一种超快激光辐照与电沉积组合制备石墨烯-铜柔性复合材料(GCC)的高效定域加工工艺：通过激光扫描聚酰亚胺(PI)薄膜制备出具有亲水与导电特性的LIG区域，有效抑制复合材料中石墨烯的团聚，同时规避了传统石墨烯制备的繁杂工艺与高昂成本;其次在带有高质量 LIG区域的 PI膜上进行电沉积，一步实现 LIG 区域定域性镀铜，制备出综合性能优异的 GCC，并且初步探究了电沉积过程中铜(Cu)原子在LIG中的成核机理。本文具体研究内容如下：　　(1) 研究了激光参数及 PI膜类型对 LIG质量的影响，分析了 LIG形成机理。试验结果表明采用激光功率6.5 W、激光频率0.2 MHz、扫描速度550 mm/s、离焦量4 mm、在热塑性 PI膜上进行2次激光扫描时，可以得到密集多孔、孔隙紧凑、内部层间间距为 3.4 的小尺度多层LIG;分析了PI膜转化前后内部官能团与价键的变化，PI内部C=O受到高温影响发生断裂，大部分原子重新组合成sp2 C=C，少部分组合成了sp3C―C与C―O，最终形成石墨烯结构;N―O 完全断裂，游离的氮氧原子与同时发生碳键断裂后的碳进行组合，产生NO、NO2、CO、CO2等一系列气体，促使蜂窝状三维孔状结构的成型。　　(2) 模拟了试验参数下的PI内部温度场，结合其热解、碳化阈值温度验证了所选试验参数的合理性。仿真结果表明，激光扫描速度为550 mm/s时，温度场趋于平缓，能量更加稳定集中，有利于维持从PI膜到LIG转化;离焦量为4 mm时，在PI膜内所致温度场最有利于保持LIG内部形态稳定，可促进高质量LIG的形成;离焦量大于4 mm时，同样能够诱导出LIG，但深度尺寸极小，不能满足后续电沉积工艺的要求。仿真结果为超短脉冲激光诱导PI膜制备LIG提供了理论支撑。　　(3) 分析了 LIG区域内电化学定域沉积制备 GCC过程中 Cu原子的成核机理。Cu2+在LIG界面还原成Cu原子并沿着界面扩散到一定的生长点并发生集聚，优先填满LIG孔洞并形成Cu与LIG交联的致密层;随着Cu原子成核生长，每个LIG层的厚度增加，依次完成单层LIG孔洞Cu原子填充以及层与层之间的连接，最终实现GCC的制备。　　(4) 详细研究了 GCC 的综合性能，并初步探索了 GCC 作为电解阴极的可行性。GCC的表面粗糙度Sa由 LIG区域的 13.524 μm降至 6.020 μm，厚度为 45 μm左右;GCC的电导率从LIG区域的 32.8 S/cm提高到60.9 S/cm;硬度约为 1.9 ~ 2.2 Gpa，杨氏模量约为 72 ~ 80 Gpa，相较于相同工艺条件下制备的铜膜，硬度与杨氏模量各自提升了 32%和 17.2%;GCC 显示出较好的柔性，经过 200次弯曲，内部电阻变化在 20%以内，在保持高恢复性能的同时具有良好且稳定的导电性;与相同制备条件下得到的纯铜膜相比，GCC 的腐蚀电位更正，且在奈奎斯特响应图中的容抗弧比纯铜膜的更大，展现出良好的耐蚀性。将制备的 GCC 作为阴极工具参与 304不锈钢电解加工，电解加工前后 GCC 未发生严重破损，稳定参与了 10 min的电解过程，充分证明了具备优异导电性与耐腐蚀性的 GCC作为电解阴极工具的可行性。　　本文试验结果表明，通过所提出的超快激光辐照与电沉积组合制备工艺，将 PI 膜绝缘性与LIG的亲水性、导电性相结合，在完成高效定域制备复合材料的同时，又抑制了沉积过程中石墨烯的团聚，为石墨烯-金属复合材料的制备提供了新策略。此外，电沉积过程中的Cu依次完成LIG层内孔隙的填充以及LIG层与层间的连接，最终制备出综合性能优异的GCC，有望作为电解加工阴极工具进行复杂曲面图案电解加工。