关键词： 海水淡化   石墨烯编织条带   反渗透膜   水通量   盐拒率   分子动力学  

摘要： 海水淡化是获取淡水资源的一个重要途径，其中反渗透技术是一项成熟的海水淡化的膜技术。由于其污染少，能耗低，过滤效率及排盐性能都比较高，在海水淡化领域的应用较为广泛。反渗透膜是该技术的核心部件，相比传统的海水淡化膜，学者研究发现石墨烯、碳纳米管能低维材料制成的反渗透膜具有超高的过滤效率和排盐性能从而被广泛应用于海水淡化的研究。　　本文先以正交的方式将石墨烯条带编织并用羧基、氨基进行功能化构建了功能化石墨烯条带编织反渗透膜（GraphenestripWovenFilterMembranebasedX，GWFM-X）。以此为基础，本研究构建了多层石墨烯条带功能化编织反渗透膜（MultilayerGraphenestripWovenFilterMembranebasedX,MLGWFM-X)和掺杂层状石墨烯条带功能化编织反渗透膜（MultilayerDropedGraphenestripWovenFilterMembranebasedX,MLDGWFM-X）,旨在筛选出兼具高水通量及优异排盐性能的过滤膜。　　通过分子动力学模拟，本文研究了GWFM-X、MLGWFM-X、MLDGWFM-X海水淡化的过程。通过GWFM-X、MLGWFM-X、MLDGWFM-X的水渗透通量、排盐效率以及Na+、Cl-和H2O通过纳米孔时的自由能能垒的计算，本研究分析了GWFMs的水渗透性能、排盐性能，并得到了以下的结论：　　(1)GWFM-X平均水通量为9.31~35.41Lcm-2day-1MPa-1。在△P=300MPa时，GWFM-1.2nm-COOH(GWFM-X的1.2nm孔径附近修饰羧基官能团)具有较高的水通量同时具有较为优异的排盐性能;(2)MLGWFM-X平均水通量为14.04~35.41Lcm-2day-1MPa-1。在层数为5时，MLGWFM-COOH-5(GWFM-1.2nm-COOH堆叠5层)具有不错的水通量同时盐拒率为100%;(3)MLDGWFM-X的平均水通量为14.04~29.85Lcm-2day-1MPa-1。其中从MLDGWFM-CNN(以GWFM-1.2nm-(COOH,NH2,NH2,NH2,NH2,COOH)进行堆叠)开始，盐拒率都为100%，水通量为20.46Lcm-2day-1MPa-1。在MD模拟精度下,水分子较盐离子更容易通过纳米孔，水和离子之间超大的自由能能垒差保证了较高的水通量和排盐效率。对于GWFM-X、MLGWFM-X、MLDGWFM-X体系中，5层掺杂石墨烯条带功能化编织反渗透膜MLDGWFM-CNN拥有100%盐拒率的同时水通量仍然为20.46Lcm-2day-1。

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： 偏振光   石墨烯   金属光栅   MEMS  

摘要： 为了获取偏振信息,偏振探测器件和探测技术一直在更迭进步,由最早的分时偏振探测系统逐步发展出分振幅、分孔径、分焦面等偏振探测系统,除了实现更高的探测精度之外,实时性、小型化和集成化是偏振探测技术发展的方向。 目前的大多数偏振探测系统都遇到了一个共同的问题,即无法在保证偏振探测的时间和空间分辨率的同时具有足够的集成度。为了解决这一问题,本文在前人偏振探测结构研究的基础上,提出了基于多层石墨烯和金属光栅叠加的微机电系统(Micro-ElectroMechanical System,MEMS)偏振探测结构。该结构模拟昆虫复眼,结合石墨烯和金属光栅构建三层偏振传感结构,该结构可以同时测量入射光的多角度电场分量信息。本文设计的新型MEMS仿生立体堆叠偏振探测器,有望通过阵列化结构组合检测实现偏振成像检测,为未来更先进的偏振检测提供了可行的思路。 本文首先针对目前存在的偏振探测系统进行了结构和原理分析,总结了目前存在的问题。同时,本文还针对制造新型偏振探测器的二维材料进行了分析总结,比较了各个材料的特点和优势。在此基础上选定了石墨烯作为制造探测器的材料,提出了一种仿生立体多层偏振探测结构。 其次,本文针对基于石墨烯和金属光栅堆叠的仿生立体结构进行了理论分析和优化仿真。利用斯托克斯矢量和米勒矩阵对该结构的探测原理进行了可行性验证和理论分析。利用时域有限差分方法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)对金属光栅进行了建模及仿真优化,进而利用传输矩阵方法对该结构的膜系厚度进行了分析与优化,使该结构具有更好的透光率。最终,利用FDTD方法对器件整体探测结构进行了仿真分析。 随后,本文对所设计的仿生探测器进行了工艺规划并进行了实际制造,在实际制造过程中对主要的工艺步骤进行了优化。探测器的实际制造工艺主要可以分为背面标记层的制造、石墨烯的转移和改性、建立电极、添加金属光栅和多层叠层制造工艺。 最后,本文针对所制造的仿生探测器进行了测试分析,同时介绍了所搭建的测试环境和用到的测试仪器。通过测试得到了探测器各层对不同偏振角度的偏振光的响应强度,并与理论结构进行对比分析,得到了探测器的探测精度,探测器的最大光电响应强度可达20 m A/W,最大误差约为3.8%。

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： 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： 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： 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。

摘要： 科学家最新研制出全球首个以石墨烯为基础的半导体，这可能为未来开发运算速度更快的电脑和量子计算机奠定技术条件。研究人员在日前发表于《自然》杂志上的文章中称，这种石墨烯半导体晶体管能在太赫兹频率下工作，比当前芯片中使用的硅基晶体管运算速度还要快10倍。

关键词： 三维材料   石墨烯   异质结构   热导率   分子动力学模拟  

摘要： 以石墨烯为代表的二维碳纳米材料在过去的十几年里得到了广泛的研究应用,并且在诸多方面有着优越的性能,然而在许多实际应用场景下二维石墨烯受限于结构特点难以发挥其特性,在三维尺度上很容易发生材料的堆叠和团聚现象,造成原本二维石墨烯所具有的高吸附、催化位点的优势不复存在。因此对于三维石墨烯结构及性质的探索成为当下一个研究热点。实验制备的三维石墨烯材料显示其结构为三维碳蜂窝状（CHC）,主流的构型有S1、S2、hC28三种,当前开展的研究,一方面缺少对于三维碳蜂窝hC28结构的系统性研究,另一方面对于混合体系碳—氮化硼蜂窝结构（C-BNHC）热力学性能的研究并不完善,此外,也缺少对受力状态下热导率性质的研究。因此本文通过分子动力学模拟方法,选取具有重大研究意义和广泛研究前景的三维碳蜂窝材料（hC28）以及搭建的hC28/BNHC异质结结构C-BNHC模型作为主要研究对象,对其热输运性质进行了深入研究,揭示其内部机理,研究成果如下: 首先,采用分子动力学方法揭示了hC28结构的热输运调控机理,计算验证了其尺寸效应,外推计算显示无限尺寸下hC28结构热导率在51.26 W·m-1·K-1左右,与先前文献报道数值接近,证明本文所选势函数以及理论计算方法合理;此外还探究了hC28结构的温度效应、各向异性以及六边形尺寸效应,结果显示热导率会随着温度的升高而下降,沿蜂窝轴方向热导率约为垂直蜂窝轴方向的十倍,垂直蜂窝轴方向热导率几乎不随六边形尺寸变化而沿蜂窝轴方向会随尺寸增加而提高。 其次,采用分子动力学模拟的方法对比random型、regular型两种不同排列方式的C-BNHC结构,探究了三维h-BN蜂窝单元占比对两种构型热导率的影响规律,研究显示两种构型结构随着占比的升高热导率均呈现先降低后升高的趋势,其中random型搭建方式对hC28结构热传导能力削弱的程度更明显,此外还研究了两种构型热导率的尺寸效应和温度效应。 之后,通过分子动力学模拟方法计算了hC28结构以及random型C-BNHC结构的力学性质以及在承受应力状态下的热输运性质规律。结果显示,力学性能方面,在同尺寸情况下hC28结构zigzag轴方向力学性能优于armchair方向,random型C-BNHC结构的力学性能会受内部三维h-BN蜂窝单元占比的影响;热力学性能方面,当施加压缩应变时,热导率会随着压缩应变的程度增大而明显降低,其中hC28结构在发生10%压缩应变时热导率会降低22.97%,分析认为是由于压缩应变会破坏结构、并在内部造成弯曲和屈曲,这些变化使得结构热传导能力下降;当施加拉伸应变时,模型的热导率随着应变程度的加深均呈现先上升后下降的趋势。 最后,揭示了三维石墨烯结构热输运性质的调控机理,即可以通过调节温度、改变孔径大小、施加外力以及三维h-BN蜂窝单元部分替代的方式实现对其热导率的改变。通过一系列研究,本文对于三维石墨烯结构热输运性质进行了系统性探索,对相关三维碳纳米材料的现实应用具有一定的指导意义。