关键词： 聚二甲基硅氧烷   氧化石墨烯   银纳米材料   原位生长   协同导热  

摘要： 随着高功率密度电子器件的发展,热管理已成为影响其性能和使用寿命的关键问题,高效导热材料因具有较好的热管理特性而备受关注。本文利用化学还原在氧化石墨烯（GO）的表面原位生长不同形貌的纳米银,制备了一系列还原氧化石墨烯@纳米银复合材料（r GO@Ag）。将具有高导热增强能力的r GO@Ag掺杂到聚二甲基硅氧烷（PDMS）中,得到性能优异的新型热管理复合材料。具体研究内容如下: （1）利用抗坏血酸（AA）作为还原剂,直接在GO表面原位生长均匀分布的银纳米颗粒（Ag NPs）,得到“点-面”状的r GO@Ag NPs复合材料,并将其掺杂到PDMS中,研究其导热行为。结果表明,当掺杂量为5wt%时,r GO@Ag NPs/PDMS的热导率为0.263 W/（m·K）,高于单独掺杂纳米银及还原氧化石墨烯的复合材料。 （2）以乙二胺四乙酸二钠（EDTA-2Na）为封端剂,在GO表面原位合成了银纳米片（Ag NSs）,得到“片-面”状的r GO@Ag NSs复合填料,将其掺杂到PDMS中制备r GO@Ag NSs/PDMS复合材料。研究了r GO@Ag NSs的含量和比例对复合材料热导率的影响,发现当掺杂量为9wt%,mGO:mAg=1:5时,复合材料的热导率可达0.275 W/（m·K）。经过热处理r GO@Ag NSs后,复合材料的热导率可提高到0.329 W/（m·K）。随着r GO@Ag NSs/PDMS复合材料的厚度从0.8mm增加到4.5 mm,发现其热导率从0.275 W/（m·K）提高至0.4183 W/（m·K）。这表明填料网络的体积随复合材料厚度的增加而增加,有助于填料间形成更充分的热接触。 （3）利用3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）和乙二胺四乙酸二酐（EDTAD）协同改性氧化石墨烯（GO）,得到APTES-EDTAD/GO复合材料（AEG）。利用化学还原法,在EDTAD螯合作用下,首次在AEG表面原位生长出银纳米带（Ag NBs）,得到APTES-EDTAD/r GO@Ag NBs复合填料（AEr G@Ag）。研究了AEr G@Ag在PDMS中的分散状态,分析了其对PDMS的导热增强效果。结果表明,AEr G@Ag/PDMS的热导率最高可达0.44 W/（m·K）,比纯PDMS增加了144%,揭示了这种“片-带”状的填料网络具有高效的协同导热效率。此外,散热测试表明,AEr G@Ag/PDMS与PDMS在39 s时的冷却温差为11℃,进一步证实了该复合材料在快速传导过热方面的实际应用价值。

关键词： 石墨烯   二硫化钼   驱动电场   光栅   等离激元激发  

摘要： 自等离激元纳米激光器提出以来,基于等离激元的研究热潮便从未褪去。目前已有多种方式可实现等离激元的激发,如边缘散射,棱镜耦合和光栅耦合等,而通过直流电场驱动作用实现二维材料中等离激元激发的研究相对较少。因此,本文将从理论上分析石墨烯和单层二硫化钼中等离激元的电致激发。 首先,通过玻尔兹曼平衡方程,研究了驱动电场作用下的石墨烯系统中电子-带间等离激元的相互作用而导致的带间等离激元激发。在驱动电场作用下,石墨烯系统中电子发射的带间等离激元的频率位于远红外区域,带间等离激元的发射强度随驱动电场的强度增加而增强。此外,还可以通过门电压改变电子浓度来调控其发射强度。 其次,从理论上分析了光栅的施加对单层二硫化钼带内等离激元发射的影响。通过调节光栅周期,可以有效的调节单层二硫化钼中电子的动量,从而实现太赫兹等离激元的激发。单层二硫化钼系统中等离激元的发射强度随着驱动电场的增加而增强。在考虑自旋-轨道耦合情况下,单层二硫化钼导带中存在两支自旋模式不同的等离激元。等离激元发射强度峰值随着电子浓度的增加而出现蓝移现象。 以上结果表明:不仅可以通过驱动电场来调节等离激元的发射强度,同时也可以通过门电压改变电子浓度来调控其发射强度。 期望研究结果能够为相关的实验研究和基于二维材料等离激元装置提供一定的理论依据。

关键词： 储氢   外部电场   功能化石墨烯   吸附   分子模拟  

摘要： 在全球能源危机日益严峻、气候环境逐渐恶化的当下,新能源的开发受到世界各国的重视。其中,氢能由于其高热值、零污染等优势,成为未来国家能源体系的重要组成部分。然而氢气在常态下性质活跃,其大规模储存和运输问题一直难以解决,成为遏制氢能发展的瓶颈问题。碳纳米材料由于其较高的比表面积和较好的电子特性成为极具潜力的储氢材料。通过外部电场对二维材料电子特性的调控,以及对气体吸附性能的调节,使碳纳米材料高密度储氢可控化成为现实。本文聚焦金属修饰功能化石墨烯,采用第一性原理计算和分子动力学模拟方法,对电场存在下锂修饰氮掺杂功能化石墨烯和钪修饰吡啶型石墨烯的储氢性能进行计算,揭示了电场调控金属修饰碳纳米材料吸附储氢的微观机理。本文的研究内容如下: (1)为了研究外部电场对锂修饰氮掺杂功能化石墨烯储氢性能的影响,采用第一性原理计算方法,针对不同强度外部电场作用下锂与功能化石墨烯基底的结合、氢分子在储氢材料上的吸附进行计算。通过对锂原子与基底的结合能,氢气分子吸附能,布居分析,静电势,分波态密度,热力学特性进行分析计算,揭示外部电场调控锂功能化石墨烯储氢性能微观机理。 (2)为了解决过渡金属在石墨烯上的成簇现象并提升功能化石墨烯储氢性能,采用第一性原理计算方法,通过施加不同方向与强度的电场,实现了钪原子在吡啶型石墨烯上的分散排布和氢气分子在钪修饰吡啶型石墨烯上的可控吸附。通过对氢分子吸附能,静电势,分波态密度,电荷转移等电子性质的计算,分析了外部电场调控钪修饰吡啶型石墨烯储氢性能作用原理。 (3)为了从大尺度上研究氢气分子受电场影响下的吸附运动和分布特性,采用分子动力学模拟方法,构建两种碳纳米材料(锂修饰功能化石墨烯和钪修饰吡啶型石墨烯)储氢模型,通过对储氢质量密度,密度分布,相互作用能,自扩散系数和径向分布函数的计算分析,验证了第一性原理计算结论,多角度分析了外部电场作用下氢气的运动和分布,深入揭示了电场调控碳纳米材料储氢性能原理。

关键词： Al掺杂石墨烯   第一性原理   MEMS   石墨烯传感器  

摘要： 石墨烯凭借自身独特的光、电、磁、力等物理化学特性在众多领域受到持续关注,在航空航天、功能材料、电子信息、能源、生物医药、节能环保及其他众多领域都有着非常重要的潜在应用前景,然而,由于其本身的零带隙特性,限制了其在电子和光电子领域的应用。过去十几年间,理论和实验工作者尝试了大量方法来改善石墨烯特性,如结构缺陷、表面吸附、原子掺杂、应变调控等。 Al原子掺杂能够有效打开石墨烯带隙,石墨烯改性应用和传感器敏感元件缺陷效果表征均对缺陷石墨烯性能表征提出了要求。本文系统的研究了Al掺杂石墨烯在温度变化条件下的迁移特性和应变条件下的电子特性,并针对Al掺杂石墨烯迁移特性制造了温度传感器样机,完成了霍尔迁移率、电阻等参数测试。主要研究内容及结果如下: （1）Al掺杂石墨烯结构与特性研究。基于密度泛函理论构建了不同浓度下的Al掺杂石墨烯稳定构型,采用第一性原理研究了温度变化下迁移特性的变化及应变条件下电子和光学特性的变化。结果表明,石墨烯带隙随着Al掺杂浓度的增加由0.4e V增大到1.45e V,在100～500K范围内,随着温度的增加,迁移率呈下降趋势,同时,引入应变作为调控因素,发现本征石墨烯和***%Al掺杂石墨烯的带隙随应变单调增加且保持直接带隙,然而***%、***%、***%的Al掺杂石墨烯在应变达到一定程度时从直接带隙转为间接带隙,而继续增加应变则会导致带隙减小。特别值得注意的是,在***%Al掺杂石墨烯中,通过掺杂应变共调控,出现了罕见的平带现象,这为研究关联特性下的新现象和新效应提供了理论基础,有望推动石墨烯在光电子器件领域的更广泛应用。 （2）Al掺杂-空位石墨烯结构与特性研究。基于密度泛函理论构建了Al掺杂-空位复合缺陷的稳定构型,采用第一性原理对电子结构开展了研究。结果表明,空位缺陷能打开石墨烯的带隙,而在施加应变后,能带由直接带隙变为间接带隙,Al掺杂-空位复合缺陷导致电子能级向高能转移,导致费米能穿过价带,与Al掺杂的石墨烯相比,带隙宽度有着较小的变化,但能带向高能转移更为明显。 （3）完成了石墨烯基温度传感器测试样机的制备,然后对其中部分器件表面的石墨烯进行Al掺杂。对其进行了XPS组分分析、拉曼表征、霍尔迁移率测试以及样机电学测量,电学测试结果显示,Al掺杂后的样品出现了明显的缺陷峰,ID/IG为0.84,结合样品2D峰红移现象,表明实现了有效的掺杂;平均霍尔迁移率由995.28 cm2/（V·s）上升至1462.93 cm2/（V·s）;石墨烯器件平均电阻为2.86kΩ,Al掺杂石墨烯器件平均电阻为1.69kΩ电阻,平均电阻值降低了40.9%,明显降低,Al掺杂石墨烯传感器灵敏度为10.4Ω/℃,石墨烯温度传感器灵敏度为5.8Ω/℃,表明Al掺杂可以在一定程度上提高传感器灵敏度,同器件测试结果相对应,验证了仿真结果的正确性。

关键词： 石墨烯自由基   三芳胺自由基   磁性   电子顺磁共振  

摘要： 纳米石墨烯可作为石墨烯的分子模型,用于研究石墨烯的结构与性质关系。纳米石墨烯具有共轭电子结构,可得失电子形成自由基。与中性纳米石墨烯相比,其自由基离子的骨架仅发生微小变化,但电子结构却有明显改变,使其具有独特的物理化学性质。含三芳胺单元的有机物具有较好的氧化还原活性,广泛应用在有机催化、半导体、磁性材料等领域。三芳胺单元也容易失去电子得到三芳胺阳离子自由基。三芳胺阳离子自由基可被用作双光子吸收材料和磁性材料。本文对石墨烯自由基以及三芳胺单/双自由基都进行了研究,主要工作如下: 一、首先合成π-π堆积的双层纳米石墨烯分子,之后用Ag[Al(OC（CF3）3)4]进行双倍氧化,成功稳定和分离了其自由基阳离子122·+和222·+,并进行各种表征与测试,研究电子结构和磁学性质。 二、合成了萘啶为桥连骨架的三芳胺化合物,利用NOSb F6对其分别进行单倍氧化,同时引入弱配位阴离子[Al(OC（CF3）3)4]-,并得到多例稳定的单自由基单阳离子3·+、4·+、5·+、6·+、7·+、8·+。同时利用紫外-可见光谱仪、单晶x-射线单晶衍射仪、电子自旋共振仪和DFT量化计算等手段研究其性质。 三、合成了远程取代基分别为-H和-OCH3芘桥连的三芳胺化合物9和10,并对分别其进行双倍氧化,成功分离得到双自由基双阳离子92·+和102·+。同样运用各种表征手段对其性质进行探索研究。

关键词： 聚丙烯   导热性能   氧化铝   石墨烯   阻燃性能  

摘要： 近年来,随着LED工矿照明的功率不断提升,其对阻燃导热复合材料的综合性能要求也越来越高。但是聚合物的本征热导率低且易燃,无法满足需求。为解决这一问题,在聚合物基体中加入功能性填料,可以提高材料的导热性能和阻燃性能,而且复合材料还保持了聚合物重量轻、耐腐蚀和易于加工等优点。为此,本研究采用氧化铝（Al2O3）和石墨烯（GNP）为导热填料,通过复配,改善材料的热导率,并在此基础上进行阻燃改性,以及力学性能优化。 首先,采用熔融共混法制备了聚丙烯（PP）/Al2O3复合材料,研究Al2O3的含量、尺寸,以及不同尺寸的复配对复合材料热导率和力学性能的影响。结果表明,随着Al2O3含量的增加,复合材料的热导率逐步提高。在单一尺寸下,40μm Al2O3制备的PP/Al2O3复合材料的热导率最高,含量为70 wt%时,复合材料的热导率为0.76 W·m-1·K-1,较纯PP的热导率提高了280%。复配不同尺寸Al2O3,发现小尺寸Al2O3对应的复合材料的冲击强度较高,当40μm Al2O3与20μm Al2O3的复配比例为40:30时,复合材料的冲击强度最高,为11.9 kJ/m2。 其次,为进一步提高热导率,加入少量GNP,研究了改性氧化铝（m-Al2O3）和GNP含量对其导热性能和拉伸性能的影响。结果表明,Al2O3改性后能改善填料与基体的界面结合以及GNP的团聚现象,在PP/m-Al2O3复合材料中加入少量GNP,复合材料的热导率和拉伸性能都得到明显提升。当GNP的含量为7 wt%时,所制备的PP/m-Al2O3/GNP复合材料的热导率达到最高值,为2.65 W·m-1·K-1,相对于纯PP和PP/Al2O3复合材料,分别提升了1225%和244%。通过红外热成像仪对样品的导热性能进行分析,发现热导率高的样品在相同加热条件下表面能迅速升温。同时,复合材料的拉伸强度和杨氏模量分别达到25.2 MPa和9.5 GPa。 最后,为了提高PP/Al2O3/GNP复合材料的阻燃性能和冲击性能,加入阻燃剂三聚氰胺聚磷酸盐（MPP）和聚烯烃弹性体（POE）,研究MPP和POE对复合材料性能的影响。结果表明,当MPP含量为15 wt%、GNP含量为7 wt%、POE含量为2.5 wt%时,复合材料阻燃等级达到UL-94 V 0。热导率达到最大值1.58 W·m-1·K-1,相较于纯PP和PP/Al2O3/MPP复合材料分别提高了690%和210%,冲击强度为5.6 kJ/m2,较未加入POE的复合材料提高了8%。

关键词： 改性GO   防腐   聚脲树脂   涂层  

摘要： 作为石油行业最常见的材料,N80钢经常暴露在复杂的腐蚀环境中,对油气井造成很大的安全隐患,故需采取必要的防护措施。目前应对油田腐蚀的处理方法大部分是注入缓蚀剂和表面涂层,但缓蚀剂由于成本高以及加量过多造成环境污染等不太适合我国中低产油田。相比之下,表面防腐涂层因其原料来源广泛、成本低、施工工艺简单且环保而得到了广泛的应用,但涂层可能在固化过程中产生孔隙和缺陷,导致涂层的使用寿命缩短。为了解决这一问题,目前最有效的手段是在涂层中添加各种不同的填料用于提升涂层的致密性,进一步延长了涂层的寿命。本文主要研究内容及结果如下: （1）利用肉豆蔻酸对氧化石墨烯（GO）进行疏水功能化,并通过化学原位氧化法在疏水化的GO片上均匀生长聚氟苯胺,成功制备了一种具有超疏水和钝化作用的氧化石墨烯-肉豆蔻酸@聚氟苯胺（GOM@PFA）填料,并对该填料的化学组成和微观结构等进行了分析。红外、扫描电镜、能谱分析和X射线光电子能谱分析证实了该填料的成功合成,分散性测试表明GOM@PFA填料在聚脲溶液的分散性得到了极大地改善,平均粒径分布在170nm左右,且接触角达到了153°左右,具有超疏水性,经过热重分析可知该填料在600℃下具有良好的抗温效果。 （2）将GOM@PFA填料添加到聚脲树脂当中,通过热喷涂法将其涂覆在N80试片上以形成氧化石墨烯-肉豆蔻酸@聚氟苯胺/聚脲树脂涂层（GOM@PFA/PU）,并对涂层的耐磨损、粘附性以及在盐水中的防腐性能等进行了一系列测试。经过了Taber摩擦实验之后,GOM@PFA/PU涂层的质量损失量仅为0.092g,说明该涂层具有优异的耐磨损的性能。并且粘附力测试结果显示出该涂层的粘附力达到4000N以上,表明该涂层也具备出色的抗拉伸能力。 （3）将GOM@PFA/PU涂层浸泡在3.5%Na Cl溶液中,进行耐腐蚀性测试,电化学阻抗谱（EIS）结果显示该涂层在浸泡了80d后的阻抗模量仍高于1011Ω·cm2,表明其具备长效的防腐性能。此外,将GOM@PFA/PU涂层进行人工划痕后在浸泡48h的阻抗值出现了增加的趋势,最终在浸泡72h后的阻抗值保持在4.98×10～5Ω·cm2,说明了GOM@PFA填料在涂层中起到了钝化性能,在N80钢表面产生了氧化膜,进一步阻止了腐蚀性介质的入侵。 本文研究的处理方法提高了N80钢在高含盐水的腐蚀环境下的耐腐蚀性,有效解决了油气井工程中所面临的腐蚀问题。

关键词： 空间核电源   热离子发电技术   石墨烯电极   铯氧激活   质子辐照  

摘要： 热离子发电技术是空间核电源实现热电转换的理想方案之一,具有结构紧凑、能量密度高、功率选择范围广、输出稳定等优点,适用于缺乏太阳能且需要大功率供电的深空探测任务。但传统难熔金属电极功函数高,以致空间反应堆热电效率得不到有效提升,因此亟需研发新型低功函数高热稳定性电极材料。鉴于石墨烯具有优异的电学、热学和力学特性,本研究首先通过设计、制备单晶镍衬底石墨烯电极,对其进行铯氧激活处理,以期大幅提升电极表面电子发射能力,并对辐照条件下电极性能稳定性进行评估。然后,基于制备的石墨烯电极材料性能参数,开展了石墨烯电极热离子发电器件(Thermionic Energy Converter,TEC)的设计与性能优化研究工作。主要研究内容和结论如下: (1)通过理论计算与实验验证相结合的手段,针对石墨烯电极开展了铯氧激活实验测试,实现了石墨烯表面功函数的显著降低。首先,基于密度泛函理论计算方法对典型碱金属(Cs、Rb)原子和碱土金属(Ba)原子在石墨烯表面的吸附行为进行研究。结果表明,Cs原子在石墨烯表面呈二维均匀分布,形成的电偶极子结构密度最大,功函数可降低至1.76 eV。然后,采用湿法转移技术制备出单晶镍衬底单层、3层和5层石墨烯电极,在超高真空铯氧激活实验平台对电极表面进行激活处理。功函数测试结果表明,单层、3层和5层石墨烯电极样品表面功函数分别由3.88 eV、3.30 eV和3.21 eV,降低至1.72 eV、1.40 eV和1.26 eV。激活后石墨烯电极表面出现大量的Cs2O化合物,Cs2O中形成的Cs-O-Cs双偶极子结构增强了石墨烯表面的库伦电场,导致电极功函数大幅降低。 (2)石墨烯电极经质子辐照后,产生的辐照缺陷会导致其功函数升高,电极抗辐照能力随着石墨烯层数的增加而增加。经400 keV质子辐照后,单层、3层和5层石墨烯电极的功函数分别升高至3.87 eV、3.14 eV和2.77 eV,与计算结果变化趋势一致。电极表面元素成分及微观结构分析发现,石墨烯内部结构损伤严重,铯氧化合物内部的化学键被打断是功函数上升的主要原因。此外,单层石墨烯内部的C-O键被完全打断,而在3层和5层石墨烯内仍可检测到部分C-O键,这是电极抗辐照能力随着石墨烯层数的增加而增加的主要原因。 (3)低功函数石墨烯电极的应用大幅提升了器件的输出电性能,倏逝波在微电极间隙工况下主导辐射传热过程。在考虑内部、外部不可逆热损失及近场倏逝波辐射传热的前提下,建立石墨烯接收极TEC计算模型,进而分析了不同因素对TEC输出电性能的影响。当电极间距减小至热辐射特征波长量级时,倏逝波的传热量明显大于远场传播波,在辐射传热中占据主导地位。热源温度为1800 K时,低功函数石墨烯电极TEC的最大转换效率达到了 25.94%,远高于难熔金属电极TEC。 (4)采用温差发电器件(Thermoelectric Generator,TEG)与TEC耦合的方式,实现了 TEC模块低温端余热的充分利用,显著提高了系统的输出电性能。构建的石墨烯电极TEC-TEG耦合发电器件模型考虑了 TEC模块的不可逆热损失、铯蒸气电离产生的空间势垒以及TEG模块Thomson效应的影响。通过非平衡态热力学分析构建能量平衡方程,计算获得了 TEC模块、TEG模块与耦合发电器件的输出功率和转换效率。当热源温度为1800 K,热沉温度为300 K时,耦合发电器件的最大热电转换效率达到26.82%,与TEC模块最大效率(21.28%)相比大幅提升。