关键词： 断路器触头   石墨烯增强   抗烧蚀   耐磨损   分子模拟  

摘要： 高压断路器作为输电线路中控制电流接通与分断的关键设备,已成为新能源并网与大电网安全稳定运行的重要物理支撑。铜钨合金被广泛应用于高压断路器触头中,但随着电力系统不断向高压大容量发展,对触头材料的抗烧蚀及耐磨损性能提出了更高需求。石墨烯因具有独特优异的电、热、力学性能而在金属基复合增强材料中获得广泛应用,这为现役高压断路器用铜基复合电触头材料性能进一步改进提供了新的技术途径。目前关于石墨烯对金属基体材料抗烧蚀及耐磨损性能的影响研究开展较少,且对石墨烯微观组织结构与宏观电学、力学性能之间的关联机制缺乏系统的认知。本文利用分子模拟仿真与实验观测手段,对石墨烯增强铜钨合金抗烧蚀性能的相变演化机制、石墨烯增强铜钨合金耐磨损性能的位错动力学机制、改性铜钨合金触头样品试制以及服役性能评估方法开展了系统研究,可为高压断路器铜钨触头材料抗烧蚀耐磨损性能的增强设计提供理论依据与方法支撑。 为厘清石墨烯增强铜钨合金触头抗烧蚀性能的相变演化机制,纳入实际铜钨触头材料的微观组织结构,构建了符合“假合金”特征的铜钨合金复合模型;同时,考虑电弧对触头阳极、阴极的不同作用形式,引入双温模型耦合分子动力学模拟方法,建立了铜钨合金触头阳极、阴极电弧烧蚀的损伤模型;以电弧侵蚀深度、级联损伤程度以及损失质量作为评估烧蚀程度的微观表征量,其中0.15wt%掺杂石墨烯铜钨复合模型比CuW80的损失质量降低10.7%,电弧侵蚀深度降低92.6%,级联损伤程度降低62.4%,由材料内部固液相变、内部缺陷损伤的演变过程,揭示了石墨烯对铜钨合金触头抗烧蚀性能的微观增强机制。 石墨烯增强铜钨合金材料的位错动力学演化过程与耐磨损性能密切相关。通过构建铜钨合金触头材料的摩擦磨损复合模型,建立了弹性模量、摩擦系数、纳米压痕硬度等耐磨损性能微观表征量的计算方法,分析了石墨烯质量分数、温度、摩擦速度等因素对铜钨合金复合材料耐磨损性能的影响,改性材料的弹性模量、硬度及摩擦系数最高可提升1 06.3%、62.6%、11.1%;进一步,从材料微观结构层面研究了摩擦过程中的原子运动过程、内部应力分布以及位错动态演变特征,揭示了石墨烯增强铜钨合金耐磨损性能的微观机制。 在上述研究基础上,制备了石墨烯增强改性的铜钨合金触头样品,并开展了性能评估。提出了石墨烯增强铜钨合金触头材料的成分配比设计,并针对石墨烯掺杂优选了制备工艺流程,对比分析了不同石墨烯掺杂含量下密度、致密度、电导率、热导率、硬度和抗弯强度等物理性能的变化规律以及微观表面组织的形貌特征;进一步,搭建了石墨烯增强改性铜钨合金触头样品燃弧测试平台,针对电弧烧蚀与机械摩擦磨损性能进行了实验考核,获取了表面形貌、损失质量、接触电阻、磨损率及摩擦系数等服役性能参量的变化特性,改性触头材料的损失质量、接触电阻、磨损率和摩擦系数分别降低了 20.6%、40.6%、35.9%、17.6%,提出了改性铜钨合金触头样品的多因子评估方法,给出了铜钨合金触头样品材料电弧烧蚀与机械磨损的综合性能指标。

关键词： 氧化石墨烯(GO)   石灰石煅烧黏土水泥(LC3)   分散性   煤系偏高岭土(CMK)   正交设计   增强机理  

摘要： 为了减少水泥行业的碳排放,研发了一种三元混合水泥—石灰石煅烧粘土水泥（LC3）,主要成分为水泥熟料、煅烧粘土和石灰石,其中煅烧粘土会与石灰石反应,再加上煅烧粘土的火山灰效应以及石灰石的填充作用,让这三个主要成分之间发生协同作用,使水泥具有优异力学性能和耐久性的同时减少了对环境的影响。氧化石墨烯（GO）作为二维纳米材料在改善水泥基材料的性能方面极具应用前景,但是GO在水泥基材料中容易发生团聚,限制其作用地发挥,使用煤系偏高岭土（CMK）可有效改善GO在水泥浆体中的分散性并提高其力学强度。综上,本文研究了使用CMK的LC3,并通过GO进一步提高LC3的性能并研究其影响机理,主要研究内容和工作如下: （1）研究了最优力学性能的LC3配合比,采用正交试验设计,根据极差分析和方差分析从水胶比（0.35、0.4、0.45）、CMK掺量（10%、15%、20%）和Ca CO3掺量（5%、10%、15%）3个因素中确定最优配合比。研究结果表明:在各因素取值水平范围内,最优力学性能配合比为A1B2C1,即水胶比为0.35,CMK掺量为15%,Ca CO3掺量为5%。 （2）研究了聚羧酸减水剂（SP）对GO在LC3中分散性的影响。研究结果表明:SP改性GO的顺序为SP先与GO混合再加入到LC3孔溶液中,且SP与GO的最佳质量比为1:4,最佳超声分散时间为20min,可使GO良好分散于LC3孔溶液中。且LC3孔溶液中分散的GO和吸附在固体颗粒表面的GO几率基本相等,在孔溶液中的几率略大。 （3）研究了GO对LC3性能的影响及微观机理,分散良好的GO能够提高LC3的抗压强度和抗折强度,尤其是抗折强度;在耐久性方面,GO具有提高LC3的抗氯离子侵入的能力;水化产物中的碳铝酸盐有利于强度的发展;GO的掺入使LC3的水化程度略微有所提高;提高了C-S-H的聚合度;增加了C-S-H中Al（OH）4-离子到桥接位点的掺入,生成更多的C-A-S-H;改善了LC3的孔结构,细化了LC3的孔隙,同时使其微观结构更加密实,并且增强基体与骨料之间的粘结。

关键词： 锂硫电池正极   石墨烯   多硫化物   穿梭效应  

摘要： 化石能源的过度开采与利用,造成了严重的环境污染。“绿色储能装置”,成为发展可持续能源的一个关键点。锂硫电池因其高能量密度、高比容量、原料硫价格低廉且分布广泛受到科研人员的关注。但在现实生产中锂硫电池的发展受到很多的阻碍,比如硫的绝缘性、反应过程中硫正极会产生体积膨胀,最严重的问题是生成的多硫化锂发生穿梭效应会对电池造成不可逆的伤害。为了解决这些问题,设计和构筑一种新型的正极材料成为科研人员的研究重点。本论文就正极材料的研究内容如下: 1.利用静电纺丝技术制备Nb2O5纳米纤维,采用一步简单水热法合成Nb2O5/Graphene纳米纤维气凝胶（Nb2O5/GA）。Nb2O5具有较高的电催化性能,对多硫化物有较强的锚定作用。石墨烯较大的比表面积和高导电性为锂离子的传导和电子的运输提供高速通道。二者结合不仅可以吸附大量的多硫化物还可以促进电化学的进程。在0.1、0.5 C的电流密度下,Nb2O5/GA/S电极初始放电比容量分别为1508.5、1176.8 m Ah g-1,0.5 C下电池循环300次后可逆比容量仍旧可以维持在624.7 m Ah g-1,这说明在经过长循环过程后其仍旧可以保持较高的比容量,一定程度提高了电池的电化学性能。 2.铁元素在生产生活中大量存在,价格低廉。采用水热法制备“方糖”形状的Fe2O3纳米颗粒,进而将Fe2O3纳米颗粒与石墨烯复合形成Fe2O3/Graphene气凝胶（Fe2O3/GA）。Fe2O3分散在石墨烯的片层之间,对多硫化物有一定的吸附能力,结合石墨烯的二维形态使电解液更易分散在活性材料之间。在0.2 C的电流密度下,Fe2O3/GA/S的初始放电比容量可以达到1016.6 m Ah g-1。在不同的电流密度下,其倍率性能均高于同等条件下的对比样品。较优异的电化学性能来源于Fe2O3本身的催化性能,再与石墨烯进行结合后使得宿主材料拥有较高的导电性,较多的孔洞可以负载更多的硫,并且吸附更多的多硫化物,使得电池的电化学性能加以改善。 3.利用甲基橙为模板在室温下制备聚吡咯（PPy）纳米管,未经酸洗和醇洗的纳米管保留了一定的铁元素,将纳米管进行碳化得到Fe2O3与碳化聚吡咯（CPPy）的复合材料（Fe2O3@CPPy）,再与石墨烯进行水热反应合成Fe2O3@CPPy/Graphene气凝胶（Fe2O3@CPPy/GA）。棒状的纳米管附着在石墨烯的表面上、片层之间和形成的蜂窝状的孔洞中,一维纳米管与石墨烯结合形成特殊的三维结构。这在0.5 C的电流密度下,其初始放电比容量可以达到1120.4 m Ah g-1,在经过500圈的长循环后其比容量仍旧可以维持在469.0m Ah g-1。多孔结构可以限制多硫化锂的穿梭效应,并且提供传输电子的高级通道。

关键词： 钴基催化剂   氧化石墨烯   杂原子掺杂   过一硫酸盐活化   盐酸四环素  

摘要： 四环素类抗生素在环境中的长期积累,对生态系统和人类健康构成了严重威胁。因此,开发一种既环保又高效又可以循环使用的过一硫酸盐（PMS）活化剂用于去除这类难降解污染物对于当前的环境危机有着极其重要的意义。 近期,钴基催化剂因其在激活PMS过程中展现出的优异的效率和选择性而受到广泛关注。然而,钴离子在水中的高溶解度限制了它们在水处理应用中的广泛使用。针对这一问题,提出了一种将钴离子固定于特定的载体上的方法。氧化石墨烯（GO）具有极大的比表面积和丰富的官能团,可以在水中形成稳定的悬浮液并能让多种聚合物能够有效掺杂,是许多复合材料优选的载体。此外,通过引入外来的杂原子调节氧化石墨烯表面的电荷和自旋分布,可以改变表面电子结构的化学组成和结构,不仅提高了材料的催化活性,还为特定催化反应的进行提供了更多的选择性。 本文研究内容主要为以下两点: 1.硫化钴和氧化石墨烯复合物活化过一硫酸盐降解四环素 通过水热法合成了硫化钴和氧化石墨烯复合物Co S@GO-400,其主要成分为Co9S8,通过表征分析确认氧化石墨烯的添加使增加了催化剂的比表面积,使纳米颗粒更好地分布在碳层上,并且改变了钴基硫化物的组成,新生成的Co9S8中的还原性S物种可以作为电子供体加速Co3+/Co2+的氧化还原循环,从而促进PMS分解产生ROSs,实现有机污染物的高效去除。Co S@GO-400/PMS体系的最优工艺条件为:TC初始浓度为20 mg/L、温度为25°C、p H=5、PMS的量为0.5 m M、催化剂的量为0.2 g/L,可以在40 min内完全去除污染物。通过淬灭实验和电子顺磁实验对催化剂的降解机理进行了探究,在Co S@GO-400/PMS体系中单线态氧（1O2）和硫酸根自由基(SO4·-)为其活化催化体系内的主要活性物质。采用LC-MS分析和T.E.S.T分析确认了TC的降解途径和产物毒性,结果表明TC的分解是一个生态毒性减少的过程。 2.N、S共掺杂的钴纳米颗粒和氧化石墨烯复合物活化过一硫酸盐降解盐酸四环素 第一部分研究中存在的低产率和Co2+高度浸出的问题仍然需要解决,基于此提出了双原子共掺杂的方法。通过一锅法合成了N、S共掺杂的氧化石墨烯负载的钴基催化剂Co@NSG-800,其主要成分为Co纳米颗粒,N和S的共掺杂使碳材料的表面电荷分布发生变化,并在增加了催化剂的稳定性的同时减少了Co2+的浸出。Co@NSG-800/PMS体系的最优工艺条件为:TC初始浓度为20 mg/L、温度为25°C、p H=5、PMS的量为0.5 m M、催化剂的量为0.1 g/L,可以在20 min内完全去除污染物,通过淬灭实验和电子顺磁实验得出Co@NSG-800/PMS体系中1O2为其活化催化体系内的主要活性物质。此外,对TC的分解途径及其产物的毒性进行了仔细评估,结果表明,该催化剂对TC的分解并不会有遗传变异的风险。

关键词： 液栅石墨烯晶体管   碳点   传感器   灵敏度   选择性  

摘要： 液栅石墨烯晶体管（solution-gated graphene transistor,SGGT）传感器是一种新兴的传感器技术,在环境保护、人体健康监测和食品安全等领域具有广泛的应用前景。采用碳点（carbon dots,CDs）作为探针或者连接功能材料,将其修饰在SGGT的栅极表面,构建CDs功能化SGGT（CDs-SGGT）传感器,它可以用于检测重金属离子、生物分子、环境污染物和食品添加剂等物质,为实时监测、快速诊断和准确检测提供了可靠的手段。CDs-SGGT传感器具有灵敏度高、选择性好、稳定性强和响应速度快等优点,有望在未来的科学研究和实际应用中发挥重要作用。通过进一步的机理研究和性能的提高,CDs-SGGT传感器将成为一种高精度、高效能的分析工具,提升生物检测、环境监测等领域的技术水平。本论文以CDs作为功能材料,修饰SGGT的栅极,开展了以下研究。 设计合成了富含氨基和羧基官能团的CDs,通过优化CDs探针在SGGT的栅极表面的固定化修饰方案,实现对重金属钴离子(Co2+)的高灵敏、高选择性、快响应和无标记检测。CDs以硫辛酸和三亚乙基四胺作为碳、氮和硫源,采用一步水热法合成制备。巯基乙胺（mercaptoethylamine,MEA）和巯基乙酸（mercaptoacetic acid,MAA）分子可以通过金-硫（Au-S）共价键自组装在金栅极的表面。CDs探针分别通过连接材料MAA和MEA,将CDs探针固定在SGGT的栅极表面。研究发现通过MAA修饰的SGGT对Co2+离子的响应时间比通过MEA修饰的晶体管要快,表明CDs表面的羧基在检测Co2+中起主要作用。当Co2+离子被CDs捕获后,SGGT栅极表面的电容会增大,导致SGGT的转移特性曲线平移及沟道响应电流（ID）变化。CDs-SGGT传感器在检测Co2+离子中显示出高的灵敏度和选择性。传感器的检测限（limit of detection,LOD）是10-19M,比传统的荧光法检测Co2+离子低16个数量级,线性检测范围为10-19M到10-15M。此外,CDs-SGGT传感器还表现出有快速响应和良好的稳定性。 设计合成了N和P掺杂的CDs,通过MAA作为连接材料固定到SGGT栅极表面,实现了对铬酸根(Cr O42-)阴离子高灵敏快速定量检测。修饰在栅电极的CDs作为特异性捕获Cr O42-离子的探针,可以有效捕获Cr O42-离子。当Cr O42-离子被栅极捕获后,会引起SGGT传输曲线的狄拉克点向右平移,最终导致ID变化,实现检测。传感器的LOD可以达到10-19M,检测线性范围为10-19M至10-9M。此外,该传感器也表现出良好的选择性和稳定性。 设计合成了富含氨基和羧基官能团的CDs作为识别谷胱甘肽分子（glutathione,GSH）的探针,通过MAA作为连接材料固定到SGGT栅极表面,实现对GSH的高灵敏检测。CDs通过一步水热法合成,使用DL-硫辛酸和三亚乙基四胺作为S、N和C的来源。CDs-SGGT传感器对GSH表现出优异的选择性和超高的灵敏度,LOD低至10-19M,优于以往的报道。此外,CDs-SGGT传感器显示出检测速度快和稳定性良好的特点。最后对模拟血清样品进行了测试,实现对模拟血清样本中GSH的检测。 ssDNA探针通过CDs/MAA固定到SGGT栅极上,实现了对黄曲霉毒素B1（Aflatoxin B1,AFB1）分子的高灵敏检测。研究表明相对于ss DNA探针直接固定到金栅电极上的SGGT传感器,采用CDs作为连接材料的SGGT传感器展现出更好的电学响应。CDs-ss DNA-SGGT传感器对AFB1分子具有优异的选择性和超高的灵敏度,其LOD≤10-19M。同时,CDs-ss DNA-SGGT传感器具有优异的选择性和良好的稳定性。并成功地在人造玉米样本中实现AFB1分子的检测。

关键词： CO选择性甲烷化   NiAl2O4   Ni基催化剂   石墨烯  

摘要： 燃料电池技术作为清洁能源的重要转换途径而受到广泛关注。其中的质子交换膜燃料电池（PEMFC）因具有高能效且环保的特点,被视为最具前景且可持续发展的能量转换策略。然而,进入PEMFC的重整富氢气中含有微量的CO,会导致PEMFC的Pt电极中毒失效。CO甲烷化是去除重整富氢气中微量CO的高效技术方案。其核心在于开发出一种性能卓越、稳定且选择性高的CO选择性甲烷化催化剂。 本文成功研制了Ni-ZrO2-x/Ni Al2O4、Ni/Ni Al2O4-r GO和Ni-Ti O2-x/Ni Al2O4催化剂,以富氢气体中的CO选择性甲烷化为反应,采用XRD、H2-TPR、N2吸脱附、H2/CO/NH3-TPD、XPS、SEM、TEM、Raman、TG等技术对载体Ni Al2O4及其Ni基催化剂进行了深入研究,结合性能评价结果,系统探讨了催化剂的微观结构及其对催化性能的影响。获得以下研究结论: （1）采用改进共沉淀法合成了Al O2-插层的Al-LDH,以其为前体在低温下焙烧制备尖晶石Ni Al2O4载体,采用浸渍法将活性组分Ni和助剂ZrO2-x引入Ni Al2O4,成功构建了Ni-ZrO2-x/Ni Al2O4催化剂。探究了ZrO2-x引入量,Ni负载量对催化剂催化性能的影响,并评估了催化剂的稳定性。结果显示,Al O2-插入水滑石板层可以降低Al-LDH转化成Ni Al2O4的温度,进而制备出具有大的孔隙率和比表面积的Ni Al2O4。ZrO2-x的引入可以显著提升Ni-ZrO2-x/Ni Al2O4催化剂的低温活性,提高Ni O的还原性,促进Ni的分散,增加还原催化剂的活性位点。同时,ZrO2-x的给电子特性,可增大活性组分Ni0表面电子密度,进而提升对反应气的吸附能力,并促进C-O键的断裂。15Ni-7ZrO2-x/Ni Al2O4催化剂可在200～255℃温度范围内将富氢气中的CO含量降至10×10-6以下,并保持反应选择性高于50%,且在120 h的稳定性测试中保持性能基本不变。 （2）采用共沉淀法合成了Al-LDH-GO复合材料,焙烧后形成复合载体Ni Al2O4-r GO,浸渍负载Ni后成功构筑了Ni/Ni Al2O4-r GO催化剂。系统考察了r GO的添加及活性组分的负载量对Ni/Ni Al2O4-r GO催化剂催化性能的影响。r GO的引入阻止了焙烧形成Ni Al2O4过程中的过度坍塌,显著提升了复合载体材料的比表面积和孔隙率,为Ni的良好分散提供了条件。除此之外,r GO的引入提高了材料的电子传输特性,提升了催化剂的热稳定性。30Ni/Ni Al2O4-r GO表现出最优异的催化性能,其可在190～245℃温度范围内将富氢气中的CO含量降至10×10-6以下,并保持高于50%的反应选择性。 （3）采用凝胶-溶胶法制备了Ni Al2O4,负载Ni和Ti O2-x后制备了Ni-Ti O2-x/Ni Al2O4催化剂。研究表明:适量Ti O2-x的引入能增强金属-载体相互作用,使部分α-Ni O转化为β-Ni O,还原后形成颗粒更均匀和更分散的Ni。同时,Ti O2具有给电子特性,能增加活性组分Ni0周围的电子云密度,从而增加对CO的吸附解离,部分Ti4+在还原后形成Ti3+,形成的Ti O2-x包裹在Ni周围,与Ni协同催化CO加氢。7.5Ni-8Ti O2-x/Ni Al2O4表现出最优异的催化性能,其可在210～290℃温度范围内将富氢气中的CO含量降至10×10-6以下,并保持高于50%的反应选择性,且在80 h的稳定性测试中保持性能基本不变。

关键词： 日盲紫外光电探测器   氧化镓   锌镓氧   石墨烯   核壳结构纳米线  

摘要： 日盲紫外探测技术在导弹预警与告警、紫外制导、舰载通讯等国防领域以及电网安全监测、环境监控与生化检测、深空探测等民用领域都有极其重要的应用,是我国迫切需求和重点发展的战略性技术。当前,世界军民用日盲紫外光电探测器的发展主要集中在超灵敏、微型化、集成化等前沿领域。技术需求主要包括更强的信息探测能力、更快的处理速度、更高的集成度、更小的体积、更好的可靠性和环境及抗辐射适应性等。在战略应用方面,提高日盲紫外光电探测器的性能是研究重点。氧化镓（Ga2O3）作为一种新型的宽禁带半导体材料,其禁带宽度高达4.2～5.3 e V,直接对应于日盲紫外波段。然而,纯的、未掺杂的Ga2O3电子迁移率较低,制备出的Ga2O3器件通常表现出较差的导电性,影响日盲紫外探测器的性能。一维纳米材料具有大的比表面积和较小的德拜长度,这些特性能带给器件优异的性能。现在流行的纳米线制备工艺都需要贵金属Au、Pt、Sn等作为催化剂参与。然而,这些催化剂成本过高,并且会把金属污染带入合成过程。因此开发简单、可控、低成本的氧化镓纳米线网制备方法以及制备出灵敏度高、光响应时间快的日盲紫外探测器来满足不同应用领域的需求是目前亟待解决的问题,对于其性能研究和应用开发具有重要意义。 具体研究内容如下: （1）提出一种自催化制备Ga2O3纳米线网的CVD方法。采用CVD法自催化制备出Ga2O3纳米线网,研究了不同生长时间,压强,温度对Ga2O3纳米线网的影响,研究了Ga2O3颗粒在高温反应中自发沉积在光滑绝缘衬底上成核并各向异性生长成纳米线的机理。该日盲紫外器件的光暗比(I254nm/Idark)约为10～3,响应上升时间和下降时间分别为3.01 s和0.12 s,外量子效率（EQE）约为18.54%,响应度为0.038 A/W,探测率为1.47×1012Jones,分析了其光响应机理并探究了O2气吸附过程对探测器性能的影响。此外,通过测试8组相同生长条件的器件和同一器件3个月之后的I-t曲线,证明该器件具有优秀的可重复性和时间稳定性。总之,自催化生长Ga2O3纳米线网探测器制备工艺通过减少电、人工和生产成本,为通过自底向上的工艺制造大面积纳米级电子产品提供了更优化的方法。 （2）提出一种阵列化制备ZnGa2O4纳米线桥并提高光响应性能的方法。为了提高日盲紫外探测器器件的光响应强度,在第四章通过三元掺杂的方法制备了ZnGa2O4纳米线网,并开发了一种阵列化制备ZnGa2O4纳米线桥的CVD法。在进一步对衬底进行阵列化处理的过程下,使得ZnGa2O4纳米线网的生长变得更加规律,使得自由电子在纳米线间的传输距离变得更近和更加平均。因此,经过阵列化的ZnGa2O4纳米线桥日盲紫外探测器的光暗比约为3.3×10～3,外量子效率约为41.7%,响应度为0.114 A/W,探测率为4.42×1012Jones,响应上升时间和下降时间分别为0.067 s和0.015 s。该器件响应能力全方面高于Ga2O3纳米线网探测器和ZnGa2O4纳米线网探测器。因此,三元掺杂制备阵列化ZnGa2O4纳米线桥的方法可以显著提升器件的光电响应性能。 （3）提出一种两步法制备ZnGa2O4/Ga2O3核壳结构纳米线网的CVD技术。受限于Ga2O3材料较低的载流子迁移率,为了提高Ga2O3材料的光电响应时间,第五章提出一种创新性的两步法CVD生长ZnGa2O4/Ga2O3核壳结构纳米线网的技术。该两步法CVD技术不仅简化了操作,提高了实验效率,还降低了实验成本。ZnGa2O4/Ga2O3核壳结构纳米线网日盲紫外光电探测器光暗比约为15.7,外量子效率为18.04%,响应度为0.037A/W,探测率为1.18×1012Jones,响应上升时间和下降时间分别为0.065 s和0.012 s。其相较于Ga2O3和ZnGa2O4探测器来说,最明显的优势就是其响应时间是Ga2O3纳米线网探测器的1/46以及ZnGa2O4纳米线网探测器的1/10左右。分析了核壳结构对光响应时间的影响机理。核壳结构界面处会产生内建电场,内建电场相当于在材料之间额外增加了偏压,这就更有利于提高光生电子和空穴的分离效率,从而提高响应时间。 （4）提出一种旋涂退火法制备石墨烯修饰ZnGa2O4/Ga2O3核壳结构纳米线网的技术。为了提升ZnGa2O4/Ga2O3核壳结构纳米线网器件的光响应强度,第六章将二维石墨烯和一维ZnGa2O4/Ga2O3核壳结构纳米线网进行复合,制备出石墨烯修饰ZnGa2O4/Ga2O3核壳结构纳米线网日盲紫外光电探测器。通过增加石墨烯与Ga2O3的异质结结构,提高光生电子与空穴的分离效率。退火处理增加了Ga2O3和石墨烯之间的接触。经测试,0.1%浓度的退火石墨修饰ZnGa2O4/Ga2O3核壳结构纳米线网器件综

关键词： 分子动力学   聚酰亚胺   介电常数   电场   还原氧化石墨烯  

摘要： 本文通过分子动力学软件构建了含有不同侧垂基、不同氟元素含量的聚酰亚胺（PI）分子模型,同时还建立了氧化石墨烯（GO）及不同还原程度的还原氧化石墨烯（r GO）模型。采用分子动力学方法,分析了不同侧垂基、不同氟元素含量的PI分子结构与性能之间的关系;同时还分析了GO及不同还原程度的r GO对PI复合材料性能的影响机理,为设计具有优异性能的PI材料提供了一定的理论依据。本文研究的主要内容及结论如下: （1）构建了具有不同的侧垂基结构的PI模型,采用分子动力学方法模拟计算了不同侧垂基结构的PI材料的介电常数（ε）,通过分析PI的自由体积分数（FFV）、体积极化率（α）、径向分布函数（RDF）、均方回转半径（MSD）及极性基团的二面角分布等性能,探究了PI分子结构与性能之间的关系;通过Perl语言脚本对PI体系施加了不同外界电场条件,分析了电场强度（Ei）和交变电场频率（E_f）对Pi的ε值介电常数的影响。结果表明,侧垂基的二次弛豫行为会增大聚合物的FFV,降低聚合物的ε;外加电场对PI的ε值有明显影响,由于外部电场环境的改变,导致PI分子上的极性基团的运动能力及二面角发生变化,这会影响PI的ε值的改变。 （2）以3,3',4,4'-联苯四羧酸二酐（BPDA）与4,4′-（六氟异亚丙基）二邻苯二甲酸酐（6FDA）作为PI的二酐单体,通过调整PI分子链上BPDA与6FDA的比例构建不同含氟量的PI分子模型,探究了不同氟元素含量对PI的ε值的影响。结果表明,PI的ε整体上随着氟元素含量的升高而下降,其中以纯BPDA为二酐单体的PI介电常数最大,以纯6FDA为二酐单体的PI介电常数最小;在不同Ei和E_f等环境下,随着PI分子上6FDA比例的上升,分子中的氟元素含量升高,极性基团的运动能力及二面角受到电场作用的影响更小;此外,在电场作用下,PI的FFV越大,其对应的ε值越高,且在低频下的波动更明显。 （3）构建了GO及其不同还原程度（30%、60%、90%）的r GO/氟化聚酰亚胺（FPI）模型,探究了GO及不同还原程度的r GO对FPI的ε值的影响。结果表明,向FPI基体中加入GO后,GO/FPI复合体系的ε值有所上升,且随着GO被不断还原,其对应的复合材料体系的ε值随还原程度的增大呈现先上升后下降的趋势;由于GO本身带有大量的极性官能团,结构卷曲,在基体中的分散性较差,随着GO被还原程度的提高,r GO表面上的极性基团含量下降,结构变得舒展,分散性有所改善;向FPI体系中加入GO后,GO/FPI复合体系更易受到电场作用的影响,随着GO被不断还原,其对应的r GO/FPI复合材料体系受电场作用的影响逐渐减弱,当r GO的还原程度达到90%时,r90%GO/FPI复合材料体系受电场作用的影响达到最弱,其对应的复合材料体系的ε值最低。