关键词： 石墨烯   柔性织物   柔性传感器   运动监测   声音检测  

摘要： 随着科学技术的发展和人们生活水平的提高,智能化产品需求增加,柔性织物如无纺布(NWF)等因其柔韧、轻质、抗菌等特点在运动监测、声音检测和医疗健康等可穿戴设备领域备受青睐。石墨烯(GO)因其独特的结构,表现出卓越的机械强度和电学性能,成为构建柔性传感器的热门复合材料。石墨烯柔性复合织物的制备及其应用研究成为研究热点。但目前的制备方法各有缺点与不足,应用研究也受到了局限。为了解决这些问题,本文提出了一种简单的浸泡和搅拌协同制备方法,具有普遍适用性,成功制备了石墨烯柔性复合织物,石墨烯复合无纺布柔性织物和石墨烯/碳纳米管/多巴胺复合无纺布柔性织物三类性能优异的复合织物。制备出的复合织物分散均匀、刺激响应速度快、效率高、可以实现大面积制备、绿色环保。通过表征和各项测试研究并优化改善其各项性能,组装的压阻式传感器在运动监测和声音检测两个可穿戴设备领域具有良好的应用潜力。具体的研究内容和结果如下: (1)通过对石墨烯柔性复合织物的制备,提出了一种简单易懂的浸泡和搅拌协同制备的方法,具有普遍适用性,可实现均匀大面积制备,绿色无污染,成本低。拉伸断裂性能测试证明了GO复合和还原对织物的机械性能的影响较小,同时保持了一定的强度和柔软度。压力测试中复合织物的电阻随压力增大而减小,最大电阻变化率达到了30%到70%,弯曲伸直测试中10次循环下的电阻的变化稳定且规律,最大电阻变化率达到了25%到60%。结果表明,以无纺布为基底与氧化石墨烯复合制备的r GO/NWF综合性能最佳,具有高灵敏度与刺激响应性以及长期的稳定与耐久性,具有良好的应用价值。 (2)采用浸泡和搅拌协同制备方法成功制备出四种浓度的石墨烯复合无纺布柔性织物(GO/NWF)。实物图和SEM微观结构分析显示织物表面光滑平整,完整均匀,具有柔韧性。XRD和拉曼表征证实了GO的成功复合和还原。拉伸断裂测试表明GO的浓度对柔性织物的机械性能影响较小,其中1mg/m L的GO/NWF-2和r GO/NWF-2表现出了最大应力(36.9MPa和34.3MPa)。压力测试中,电阻随着压力的增大而减小直至趋于稳定不变,弯曲伸直测试中,10次循环下的电阻变化都较为稳定且有规律。其中r GO/NWF-2的电阻变化率最大为63%。应用测试中,以r GO/NWF-2组装的压阻式传感器在人体运动监测(电阻变化率为30%)和不同声音检测(电阻变化率为30%到40%)中表现出良好的传感性能,具有应用潜力。 (3)采用浸泡和搅拌协同制备方法成功制备出四种不同层数结构以及DA修饰的石墨烯/碳纳米管/多巴胺复合无纺布柔性织物(GDC/NWF)。实物图和SEM微观结构分析显示出复合织物表面光滑平整,完整均匀,并验证了层状结构的存在。XRD,拉曼和XPS表征分析证实了GO的成功复合和还原,碳纳米管(CNT)的成功复合以及多巴胺(DA)的成功掺杂。拉伸断裂测试表明层状结构和DA的修饰对复合织物的机械性能影响较小。压力测试中,四种组合的r GDC/NWF的电阻都随着压力的增大而减小直至趋于稳定不变,最大电阻变化率为57%。弯曲伸直测试中,四组传感器在10次循环下的电阻的变化稳定且规律,最大电阻变化率为82%。应用测试中,以r GDC/NWF-4组装的柔性传感器在人体运动监测(电阻变化率为41%到88%)和不同声音检测(电阻变化率为60%)中表现出优异性能,与相同条件下的r GO/NWF相比,两者均显著提升,这让r GDC/NWF在可穿戴设备领域具有更大的应用前景。

关键词： 超滤膜   表面改性   季铵化氧化石墨烯   混凝   海水淡化预处理  

摘要： 超滤法作为一种常用的海水淡化预处理技术,在截留大分子物质、节省空间和成本、减少环境污染等方面具有显著优势。但在长期使用过程中,超滤膜表面或膜孔内会吸附并沉积大量污染物,导致膜渗透分离性能降低、使用寿命缩短以及能耗和成本增加。因此,设计并研发具有优异抗污染性能的膜分离材料对超滤膜在海水淡化预处理中的应用具有重要意义。本研究以季铵化氧化石墨烯（QGO）为改性剂、聚多巴胺（PDA）为交联剂,通过表面涂覆法对聚偏氟乙烯（PVDF）超滤膜进行改性,制备了季铵化氧化石墨烯改性超滤膜（QGO/PDA-PVDF）,并考察了“混凝+超滤”工艺在海水淡化预处理中的性能,旨在为研究适用于海水淡化预处理的超滤膜提供一定的借鉴和参考。 首先,以氧化石墨烯（GO）为载体,通过化学接枝法制备了季铵化氧化石墨烯,并对其化学结构和微观形貌进行了表征分析。在此基础上,以QGO为膜改性剂、PDA为交联剂,通过先抽滤后交联的方法,对PVDF膜进行表面改性,制备了QGO/PDA-PVDF膜,并对改性膜进行了一系列测试分析。结果表明,与未改性的PVDF膜相比,QGO/PDA-PVDF膜的分离性能、亲水性和抗污染能力均得到有效改善,其纯水渗透率为1105.4 L·m-2·h-1·bar-1,水接触角为59.4°,对牛血清白蛋白的截留率为79.5%,以牛血清白蛋白和腐殖酸为模型污染物时,膜在第一个污染-清洗循环中的通量恢复率分别为71.8%和83.9%,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别为97.2%和96.3%。 进一步地,以海水为实验对象,考察了QGO/PDA-PVDF膜在海水淡化预处理中的性能,并对“混凝+超滤”工艺在海水淡化预处理中的性能进行分析。在混凝过程中,考察了三氯化铁、聚合氯化铝（PAC）以及聚合氯化铝-聚丙烯酰胺复配（PAC-PAM）三种混凝剂的处理效果,以及水样pH对混凝效果的影响。同时,探究了混凝过程对膜表面污染程度的影响。结果表明,混凝处理能够有效去除水中的悬浮颗粒和胶体污染物,在一定程度上减轻膜污染。此外,在过滤原海水和混凝后的海水时,QGO/PDA-PVDF膜的通量恢复率、可逆污染率等膜污染参数均优于未改性的PVDF膜,表现出更好的抗污染性能。在PAC混凝剂投加量为25 mg/L的条件下,海水经过“混凝+QGO改性超滤膜分离”处理后,出水浊度为0.09 NTU,SDI15值稳定在1.8左右,符合反渗透系统的进水要求,QGO改性超滤膜在海水淡化预处理中表现出一定的应用潜力。

关键词： 石墨烯   自旋-谷依赖   Andreev反射   自旋轨道耦合   电导  

摘要： 石墨烯因为反常的电学、光学和力学等物理性质而得到了广泛的关注,并获得了大量的研究。石墨烯是具有六角格子结构的二维量子材料,它的电子结构在布里渊区的K点和K'点有两个不等价的能谷,低能激发具有线性色散并满足相对论Dirac方程。与普通金属或铁磁材料中的电子不同,石墨烯的电子有电荷、自旋和能谷三个自由度;基于自旋自由度或谷自由度的电输运方面的研究是石墨烯研究的重要组成部分。但孤立石墨烯中的自旋轨道耦合微弱到可以忽略,这导致石墨烯中的电子是自旋和谷四重简并的,所以关于石墨烯电输运方面的研究并不能很好的利用自旋或谷自由度,这阻碍了基于石墨烯的自旋电子学、谷电子学或自旋-谷电子学的建立与发展。最近,人们通过理论计算预言以过渡金属卤族化合物等材料为基底的石墨烯,即近邻化石墨烯,可以被诱发出本征自旋轨道耦合和赝自旋交错势,二者的存在打破了石墨烯中电子的自旋与谷四重简并,为新型电子学的建立与发展提供了可能性。与此同时,如何测量出近邻化石墨烯中本征自旋轨道耦合和赝自旋交错势的强度便成为当前凝聚态物理亟需解决的问题,它也是研究自旋极化或谷极化量子输运的基础。 本论文针对该问题从理论上提出了探测近邻化石墨烯中本征自旋轨道耦合和赝自旋交错势的可行方案,该方案提出了近邻化石墨烯/超导这一新型的异质结,并系统研究了异质结中的自旋-谷依赖的交叉Andreev反射和电输运性质,给出了Andreev反射几率和电导谱与异质结参数的函数关系。在该异质结中,我们发现石墨烯中K谷自旋向上的电子和K'谷自旋向下的电子发生纯镜面Andreev反射,而K谷自旋向下的电子和K'谷自旋向上的电子发生纯回路Andreev反射,这种自旋-谷依赖的Andreev反射及其相互转化很强的依赖于本征自旋轨道耦合与赝自旋交错势的强度,它造成的电导谱能够直接给出石墨烯中本征自旋轨道耦合与赝自旋交错势的数值,为实验上直接探测两种相互作用提供了有效的理论方案。除此之外,本论文关于Andreev反射这一基本物理现象的研究也为近邻化石墨烯/超导/近邻化石墨烯异质结中的非局域输运和超导/近邻化石墨烯/超导异质结中的Josephson效应的研究打下了坚实的基础。 本论文关于近邻化石墨烯/超导异质结中量子输运的研究不仅在探索近邻化石墨烯中Dirac费米子与超导电性相互作用方面具有理论意义,而且在超导自旋-谷电子学的建立与发展方面具有重要的应用价值。

关键词： 太赫兹   石墨烯   场效应管   探测器   超材料  

摘要： 近年来,随着科学技术的发展,太赫兹波（THz）引起了全世界的关注。太赫兹技术广泛应用于安全检查、生物医学、材料科学、空间探测、信息技术和国防安全等众多领域。太赫兹探测器作为太赫兹技术的关键组成部分,在频谱分析、医学成像、射电天文学、安全检查和生物传感等领域具有广泛的应用前景。石墨烯由于具有独特的光学和电学特性被认为是最有前途的太赫兹探测材料。这种材料不仅能增强探测器的灵敏度,还能有效降低噪声等效功率,并缩短器件的响应时间。 本文基于石墨烯场效应管（GFET）太赫兹探测器进行研究。首先利用湿法转移技术和微纳加工工艺制备了阵列GFET太赫兹探测器,然后利用光电测试系统对该器件的电学特性和太赫兹响应进行了测试。其次利用超材料的共振激发原理,设计了超材料集成GFET太赫兹探测器,并针对超材料吸收器对该探测器性能所起的关键作用进行了深入研究,尤其是吸收机制。具体研究内容如下: 1、利用石墨烯的高电子迁移率和可被栅压调控特性,我们设计并制备了阵列GFET太赫兹探测器。通过共聚焦光学显微镜和拉曼光谱表征了石墨烯的表面形貌和层数。然后利用太赫兹测试系统测试了其性能,结果显示该探测器在室温下的响应率高达0.93 A/W,噪声等效功率（NEP）低至10.8 p W/Hz1/2。 2、结合光热电（PTE）效应和超材料卓越的电磁性能,我们构建了超材料集成GFET太赫兹探测器。然后利用COMSOL Multiphysics软件设计并仿真了超材料吸收器结构,仿真结果显示在1.80 THz、3.31 THz、4.45 THz和4.79 THz处存在多个吸收峰,其平均吸收率超过97%,表明该探测器能够在这些频段内高效工作。此外,通过改变超材料吸收器的几何尺寸和石墨烯的费米能级,可以精确地调控吸收特性,从而优化器件的工作性能,并扩展其在太赫兹频段的应用范围。

关键词： 天线设计   编码超表面   石墨烯   多功能一体化集成   超材料  

摘要： 随着当前电磁空间的竞争日趋激烈,以及军、民用需求的不断增加,天线向着性能多样、功能集成、智能调控以及轻、薄、柔的方向发展。石墨烯作为一种新型电磁材料,具有独特的高导电率特性和阻抗可调特性。基于石墨烯的天线不仅具备轻、薄、柔的优点,同时还可以实现对电磁波的动态控制,具有广阔的应用前景。然而,现阶段的石墨烯天线存在功能单一、动态调控结构复杂和制备难度高的困境。本文以石墨烯为研究对象,结合超表面操纵电磁波的能力,探究石墨烯材料对天线的辐射、反射、散射、吸收与透射等功能的影响机理,实现天线辐射、反射、和散射性能提升,最终实现多功能一体化的石墨烯超表面天线。本文的主要研究内容总结如下: 1.针对传统金属天线重量大,在载体平台上不易共形的问题,提出了一种基于多层石墨烯薄膜的柔性共形阵列天线设计方法。采用具备高导电率特性的多层石墨烯薄膜替代传统金属图案,解决了传统金属天线柔韧性差的问题。所设计的石墨烯天线由三个1×8串馈线性阵列组成,采用切比雪夫分布法构建电流幅值分布系数。天线安装在半径为30mm的柱面上,用于5G毫米波微型基站应用。仿真与实测结果表明,天线在23.0～24.7GHz宽带范围内实现了大于8d Bi的峰值增益,并实现了3束独立波束。通过对不同端口进行独立馈电,实现了三个方向的波束指向,包括0°和±37°。实验结果表明,高导电率多层石墨烯与铜具有相似的辐射特性,能够替代铜实现柔性、低剖面和多波束辐射设计。 2.针对天线载体空间有限的问题,提出了一种基于特征模理论的石墨烯超表面天线小型化设计方法。提出一种混合嵌入式超表面结构,引入了额外的数字电容,有效降低了超表面天线的谐振频率,并实现了显著的小型化。同时,利用特征模和等效电路分析方法研究了该超表面的工作机理,指导宽带圆极化辐射的最佳馈电位置。进一步通过激发一对简并模式,获得圆极化辐射和宽带阻抗匹配。最后,制作并测量了总尺寸为0.46λ0×0.46λ0×0.07λ0的工作在5GHz的石墨烯超表面样件,可获得21.40%的圆极化轴比带宽。实验表明,所提出的超表面天线具有体积小型化、圆极化带宽宽、成本低等特点,为实现无线通信系统中宽带圆极化天线的小型化提供了可行的解决方案。 3.针对现有编码超表面波束调控机制单一的难题,提出了一种基于数字编码原理的石墨烯超表面的与波束调控方法。通过改变石墨烯的方阻值（Rs）来控制编码状态,设计了中心工作频率为50GHz的编码超表面。通过分析和优化设计,发现当石墨烯Rs值分别为10和1000Ω/sq时,单元的反射相位差可以达到180°±37°。进一步构造了1-bit的“0”和“1”单元。设计并模拟了几种编码序列,实现了包括单波束生成、双波束生成、四波束生成、30°波束偏转和RCS缩减的功能。 4.针对现有低散射超表面散射抑制效果不足的难题,提出了一种基于遗传算法的石墨烯超表面宽带RCS缩减方法。利用遗传算法优化编码序列,在宽带范围内有效降低了超表面的RCS。同时,采用丝网印刷石墨烯墨水的方法制备样件,将测量结果与全波仿真结果进行了比较,对天线的性能进行了测试。超表面在12.5～27.7 GHz范围内实现了10d B以上的RCS降低,分数带宽为75.6%。该宽带RCS缩减超表面可应用于复杂目标实体的隐身。 5.针对现有石墨烯天线功能单一的问题,提出了一种多功能集成的THz透射/反射一体化石墨烯编码超表面。通过在反射型石墨烯编码超表面上加载透射石墨烯频率选择表面,既可实现通带外吸收隐身,又可实现对通带内透射的波束进行反射调控的功能。其中,上层设计的带通频率选择表面具有低损耗高吸收的特点,使用印刷高阻抗石墨烯墨水代替集总电阻,解决了集总电阻损耗大,成本高和焊接难度大的问题。下层石墨烯编码超表面采用电导率动态可调的单层石墨烯,实现通带内反射波束动态可调特性。在通带外低频10～15.2THz和高频22.8～39.3THz中均能实现-10d B的RCS缩减,在通带内实现10°,20°和30°的波束偏转。提出并实现的透射/反射一体化的石墨烯编码超表面,拓展了石墨烯材料在电磁器件设计中的应用范围。

关键词： 石墨烯薄膜   氧等离子体刻蚀   化学气相沉积   电热光热   模拟仿真  

摘要： 在双碳目标导向下,研发高效、安全、清洁、低碳、轻质的电热和光热材料具有十分重要的意义。石墨烯具有优异的电、光、热,以及高比表面积、高强度等特性,在能源、环保、光电器件、热管理等领域有十分广泛的应用前景。相较于传统金属加热元件,石墨烯凭借高导电/导热性成为构建高效、节能、安全、柔性加热元件的理想材料,在便携化、小型化和智能化家用电器或电子产品加热器领域具有巨大的应用潜力。随着制备技术的发展,以化学气相沉积（CVD）法制备的石墨烯导电薄膜作为纯石墨烯发热膜或加热元件已从实验室走向了商业应用。随着研究的不断深入,如何进一步提升石墨烯薄膜发热性能,成为了目前石墨烯发热膜领域的重要研究课题之一。本文通过CVD法制备了石墨烯薄膜,揭示了其形貌及性能对转移衬底的依赖性,证实了采用氧等离子表面处理技术对石墨烯发热膜柔性衬底（聚酰亚胺薄膜）进行预处理可显著提升石墨烯发热膜的性能。具体研究内容和结论如下: 1.石墨烯发热膜的制备及形貌结构分析 以镍箔为生长基底,采用CVD法制备100-150 nm厚的石墨烯或超薄石墨薄膜。对充当石墨烯发热膜柔性衬底的聚酰亚胺（PI）薄膜进行不同时长（0-50分钟）的氧等离子表面处理,并作为石墨烯薄膜的转移基底,制备出包含“石墨烯薄膜/PI膜”双层结构的石墨烯加热膜。对氧等离子处理前后PI膜形貌,以及不同PI衬底上石墨烯薄膜的形貌结构进行表征,发现随着氧等离子处理时间的不断增加,PI衬底及转移石墨烯薄膜的表面粗糙度或不平整度也在逐渐增加,但衬底氧等离子处理时间过长会导致石墨烯薄膜出现轻微缺陷。 2.不同氧等离子处理衬底对石墨烯发热膜电热性能的影响研究 基于石墨烯/PI发热膜构建电加热元件和测试电路,研究石墨烯发热膜的电加热性能。实验结果表明,氧等离子处理PI衬底上石墨烯薄膜的电热性能得到明显提升。在5 V外加电压下,氧等离子处理40分钟PI衬底上的石墨烯薄膜电加热温度可达250℃,比未处理衬底上石墨烯薄膜的表面温度高了近50℃。进一步延长衬底处理时间,石墨烯发热膜的电热性能会下降。结合衬底形貌、疏水性以及薄膜电导率测试结果,分析了衬底氧等离子处理影响石墨烯薄膜电热性能的原因。此外,对包含不同质量石墨烯薄膜的发热膜进行了电热性能的比较研究,证实石墨烯薄膜质量越好,氧等离子处理衬底对发热膜性能的提升越显著。当采用购买的100 nm厚商用石墨烯薄膜时,氧等离子处理衬底可使其发热温度提升70℃左右。 3.不同氧等离子处理衬底对石墨烯发热膜光热性能的影响研究 用氙灯模拟太阳光照射,研究不同氧等离子处理时间衬底上石墨烯薄膜的光热性能。实验结果表明,随着衬底氧等离子处理时间的增加,石墨烯薄膜的光热性能也逐渐提升。在1个太阳光强照射下（100 m W/cm2）,经过50分钟氧等离子处理衬底上石墨烯薄膜的表面温度达到73℃,比未处理衬底上石墨烯薄膜的温度提升了将近8℃。石墨烯发热膜光热性能的改善主要源自衬底氧等离子处理导致石墨烯薄膜粗糙度增加,使发热膜对太阳光的吸收能力进一步增强。 4.石墨烯发热膜电热光热性能的模拟仿真研究 采用实验测试薄膜电导率、发射率、吸收率等参数,利用Comsol多物理场仿真软件建立石墨烯发热膜模型,模拟不同衬底条件时石墨烯薄膜的电热和光热性能,探究影响石墨烯发热膜性能的关键因素及其背后的机制。模拟结果表明,5 V电压下,不同发热膜表面电热温度差别在50℃以内,与实验所测得的最大50℃的提升效果吻合;石墨烯薄膜光热效果最大提升5℃左右,略小于实验所测得的8℃的最大提升幅度。模拟结果与实验结果吻合度较高。模拟仿真研究揭示了影响石墨烯薄膜电热光热性能的原因主要在于衬底处理改变了石墨烯薄膜的电导率、发射率以及吸收率。 综上,论文通过实验与模拟研究,证实氧等离子处理PI衬底可显著提升石墨烯发热膜的电热和光热性能。石墨烯薄膜电热和光热性能的显著改善主要源自PI衬底表面形貌及疏水性的改变对转移石墨烯薄膜形貌以及电学、光学性质的影响。本文研究揭示了PI柔性衬底氧等离子处理是提升石墨烯发热膜性能的有效手段,这对发展新型、高效、低耗的石墨烯/石墨电-热,光-热,以及电-光-热一体化发热器件有重要意义。

关键词： 石墨烯   纳米二氧化硅   水泥基   力学特性   数值模拟  

摘要： 混凝土由于具有高强度、刚度、稳定性等优点,在当今社会中扮演着至关重要的角色,随着社会的发展,传统的混凝土已经无法完全满足建筑结构的需要,迫切需要智能混凝土的开发与研究。本文尝试通过试验方法和模拟方法来研究石墨烯和纳米二氧化硅对水泥基性能的影响,其中使用的模拟软件是有限元软件Mechanical APDL 19.0和Workbench19.0。研究的具体内容包括以下几个方面: (1)使用试验方法研究了不同掺量的石墨烯、纳米二氧化硅对水泥基力学特性的影响。试验结果表明,纳米二氧化硅能够有效促进水泥基的早期水化强度,显著提高水泥基材料的抗折、抗压强度。单掺石墨烯的水泥基复合材料抗折和抗压强度分别最多提高19.77%和11.29%。石墨烯和NS复掺时的强度优于单掺。故石墨烯和NS复掺能显著提高水泥基的力学性能。 (2)采用有限元软件Mechanical APDL中的命令流程序构建石墨烯/水泥基单元体,在荷载作用下,研究石墨烯与水泥基的界面结合情况,根据受压状态下的单元体界面应力分布情况可知,损伤出现在端部附近的界面,说明石墨烯能够与水泥基很好的结合。然后又根据命令流分别建立石墨烯、纳米二氧化硅及两种材料复掺增强水泥基的随机分布模型,通过在模型的上表面施加荷载模拟了模型的受压状态,计算分析其应力分布,结果表明,单掺的增强体能够承受较大应力,显著提高了复合材料的抗压强度,石墨烯和纳米二氧化硅复掺也能够显著提高水泥基的力学性能且优于单掺效果。 (3)采用APDL的命令流程序进行建模,根据氯离子渗透过程和热传导过程的相似性,运用Workbench 19.0的热力学模块模拟了石墨烯/纳米二氧化硅增强水泥基复合材料的抗渗作用。结果表明,纳米材料的掺入能够有效提高水泥基的抗渗作用,其中石墨烯在掺量为0.6wt%时抗渗作用最好,NS在掺量为3.0wt%时抗渗作用最好,石墨烯和NS复掺时的抗渗作用优于单掺效果,且这一规律与力学规律是相符的。 (4)利用ANSYS软件建立了不同长宽比的石墨烯和不同半径的NS增强水泥基复合材料的模型,运用有限元法、串联方法和并联方法对弹性模量进行了预测。结果表明:在有限元法中,当单掺石墨烯时,复合材料的弹性模量随着长宽比的增大有着先增大再减小的趋势,但提高幅度较小。单掺直径为6nm和8nm的NS时,弹性模量相同,说明在直径相近时,NS的直径对弹性模量的影响可以忽略不计。在石墨烯和NS复掺的水泥基材料中,复合材料的弹性模量得到明显提高。三种预测方法的弹性模量都得到了提高。

关键词： 柔性   原位生长   螺旋碳纤维   传感器   采集交互系统  

摘要： 柔性力学传感器在智慧医疗、智能交互、智慧传感领域有着广阔的应用前景。但是设计和制造具有高灵敏度、高稳定性且能够实现低成本、大批次、集成化的柔性力学传感器仍然存在挑战。本文基于原位生长技术,在二维片层材料氧化石墨烯（GO）表面原位生长具有特殊螺旋结构的碳纤维（HCF）。作为敏感材料的GO/HCF具有优异的空间导电结构,验证了GO/HCF材料在柔性力学传感器的应用价值。 首先,使用NH4HCO3作为造孔剂制备了GO/HCF柔性应变传感器,该传感器具有多孔结构,最大灵敏度高达622.85,且具有0.1%的测试极限,即使在1000次的拉伸及释放后仍能保持非常稳定的传感性能。在NH4HCO3热分解产生的大孔隙和HCF独特的螺旋空间位阻效应的共同作用下,GO/HCF传感器表现出临界应变的特殊传感特性:低应变条件下,传感器的电阻随着应变量增加而增大,当形变量超过一定值后,传感器的电阻不断降低,可以对扭伤、拉伤以及位移信息监测预警。此外,GO/HCF传感器具有贯穿整个传感器的大直径气孔,人体舒适感较好,可以对关节运动以及喉咙处的微小运动进行感知。 其次,构筑了氧化石墨烯/螺旋碳纤维/碳纳米管（CNT）复合导电网络,并通过丝网印刷电极进行封装得到了GHCs柔性应力传感器。CNT的加入改善了GHCs传感器的导电性,而GO/HCF的加入拓宽了GHCs传感器的检测范围。制备的GHCs传感器具有-23 k Pa-1的高灵敏度,250 k Pa的检测范围,极低的迟滞性,低于50 ms的响应时间和2.5 k Pa的检测极限。GHCs传感器可以对手指运动、鼠标点击以及气流进行检测。 最后,将49个GHCs压感传感器制备成了7×7规格的传感矩阵,设计完成了信号采集交互硬件电路和软件交互系统。硬件部分将扫描得到的传感阵列电信号数据,经过放大、滤波、模数转换为数字信号后,由信号传输电路模块将传感电压信号传输至PC端。PC端的软件交互系统调用serial库、Numpy库和Pyqtgraph库完成数据的接受和转换后在交互界面上展示。本论文设计的阵列传感系统可以识别不同物体的位置、重量和形状,在电子皮肤,智慧传感、信息传感等领域有广泛的应用价值,加快柔性碳基传感器的器件化探索。