关键词： 温度传感器   热透明石墨烯   激光诱导加工   机器学习   温度传感  

摘要： 在大数据人工智能时代，传感器捕获的第一手数据必须准确、稳定，以确保数据分析和决策的准确性和可靠性。温度测量应用在各个方面，特别在新能源汽车、智能机器人、航空飞行器等领域，温度传感器保持稳定和准确的温度检测至关重要。然而，将温度传感器置于热场中会引起扰动，温度传感器自身会存在温度失真而使得测温不准确，温度传感器与背景热场材料之间的热导率不匹配产生温度检测的干扰，这两个原因都会导致温度传感器在热场中的测温不能维持稳定和准确的温度检测。　　为了解决这个问题，本文提出了一种基于激光诱导石墨烯（Laserinducedgraphene，LIG）元壳环绕的热透明高精度温度传感器。首先，根据变换热学理论构建传感器、元壳结构、背景材料之间的热导率匹配模型，并利用有限元仿真模拟对理论模型进行验证。仿真结果表明，元壳环绕方案中的传感器区域的温度偏差为零，表明该区域具备高精度的温度检测和不受温度场干扰的能力。　　然后，设计高精度温度传感器为元壳环绕的交叉指状电极结构，该传感器采用激光诱导加工对多层不同热导率的LIG薄膜进行分步加工。为了满足传感器各部分热导率不同的加工要求，建立了LIG热导率数据库。在此基础上研究了激光加工参数对LIG热导率的影响，得到了调控和提高LIG热导率的规律。再次，采用可支持向量机（SVM）的机器学习模型对激光加工参数进行分析。通过模型的超参数搜索、调参和评估，建立了基于SVM回归预测模型。根据机器学习模型对加工参数进行预测并优化，高效获得传感器加工中不同部分热导率最优的加工参数。　　最后，设计实验对元壳环绕热透明温度传感器的性能进行测试。通过元壳环绕温度传感器与裸传感器的测温偏差进行比较，实验验证了传感器的测温偏差仅为0.22K，具有高精度的测温能力。实验表明了传感器具有283.15K-443.15K的传感范围，发现在低于410K时有优异的热稳定性和测温准确性，高于410K会出现微小的温度场波动和轻微的温度偏差。不仅如此，传感器在测温过程中具有优异的循环重复性，传感器达到最大响应所需的时间为1.15s，移除热源后传感器恢复正常所需的时间为7.45s。传感器在符合63.2%的行业标准所需的响应时间常数为0.727s，传感器温度响应性能好于大多数的温度传感器。除此之外，可以在大曲率（0.4m-1）下仍保持精确的温度测量，对湿度和振动不敏感，证明了其在复杂环境下的适用性。　　LIG元壳环绕热透明温度传感器方案解决了温度传感器在温度场受到干扰所产生的测量不准确的问题。元壳环绕温度传感器是通过激光直写的方式进行制造，并且易于大规模生产，这使其在高精度温度监测应用中极具前景。

关键词： 太赫兹   石墨烯   表面等离子体  

摘要： 太赫兹波优越的特性和广泛的应用前景引起了科学界广泛的关注。同时石墨烯具有特殊的能带结构,表面等离子体波具有很强的局域性、易于调控和集成等特点。故在太赫兹频段,石墨烯等离子体波的相关研究对于提升器件性能方面具有重大的研究意义。 本文主要研究了在太赫兹频段下石墨烯等离子体波的激发,以及石墨烯相关的器件。研究了在满足波矢匹配的条件下平面波照射石墨烯周期结构激励出表面等离子体波,并将表面等离子体波应用到石墨烯吸波器的研究中,同时也研究了石墨烯的可调谐性用于石墨烯吸波器,因为在场效应晶体管(FET)中使用等离子体整流效应是探测太赫兹最有效的方法之一,故最后研究了石墨烯的场效应晶体管的制备工艺及特性。 本文工作基于石墨烯表面等离子体波的理论分析、MATLAB理论计算和CST电磁仿真。主要研究太赫兹波段,平面波激励石墨烯周期光栅结构的优势及研究方法,并进行了CST仿真验证,验证了在波矢匹配的条件下平面波与石墨烯的周期光栅结构可以很好的支持太赫兹等离子体波的激发。 研究了基于不同图案的石墨烯的吸波器,在太赫兹波段内实现了多频点和宽频带的吸收率。深入研究了器件的结构参数和石墨烯材料参数对吸波器的吸收峰频带宽度和吸收率大小的影响。数据分析发现石墨烯表面等离子体波的产生可以增强吸波器的吸收率。在将石墨烯的弛豫时间设为0.1 ps时,吸波器可以实现超宽频带吸收,且调整石墨烯的化学势可以实现多频点吸收。 研究了石墨烯晶体管的应用和石墨烯的工艺制作,包括石墨的制备、石墨烯的转移和石墨烯晶体管的加工。同时将其加工后的石墨烯场效应晶体管用实验室的仪器进行测试分析,分析了背栅石墨烯场效应晶体管的结构、输出特性和转移特性曲线。

关键词： 石墨烯   凝胶电解质   柔性聚合物   压阻式传感   超级电容器  

摘要： 随着时代的不断进步和社会的发展,我们对能源的需求正以前所未有的速度增长,传统燃料资源也正处于枯竭的边缘,这意味着人类需要在未来几十年找到替代的解决方案。在此背景下,新能源技术的出现已成为全球共识,各国在开发太阳能、氢能和核能等绿色能源方面投入了大量资金,但这些新能源的产出往往依赖于太阳辐射或满足特定条件,其稳定性和连续性受到严重影响,为了应对这种不稳定性,我们需要一种能够储存能量的设备,以便在能源供应中断的情况下继续为我们提供服务。超级电容器就是一种理想的能量储存装置,它具有快速充放电能力和长循环寿命,是短期和周期性储能任务的理想选择。同时随着柔性电子科学技术的快速发展,微型柔性电子设备正逐渐进入我们的生活。这些设备不仅更小、更集成,而且功耗更低。一个值得注意的方向是电子皮肤设备,它可以附着在人体皮肤上进行多功能操作和高灵敏度感知。这种新设备的应用前景非常广阔,可以用来感知来自外界的各种细微刺激信号,无论是智能机器人的精细运动控制、人类软件组织的感知,还是生物医学领域的各种传感需求,电子皮肤都能发挥其独特的价值。本文基于激光还原的石墨烯（LIG）和过渡金属硫化物（NiS2）,通过与PVA/KOH固态凝胶电解质以及柔性基底PDMS复合,制备并结合了多功能纳米复合的NiS2/LIG电极材料,组装成非对称超级电容器（ACS）。最后,通过一些结构设计制作了一些集成化、智能化的多功能传感器并开发了一些应用。主要内容如下: （1）制备了基于激光还原石墨烯（LIG）与过渡金属硫化物NiS2的非对称超级电容器,一定程度上解决的微型电容器相对能量密度低的问题,经过测试,电化学表现优异,NiS2/LIG材料即使在高电流密度为1Ag-1的时仍然具有较高的比电容,为799 F g-1,同时在5000次可变放电循环后,NiS2/LIG材料的循环保留率达到80.91%,ACS电容保留率为81.92%,表现出了优秀的循环稳定性。除此之外ACS还有较为优秀的能量表现,最大功率密度为0.25Wh kg-1,能量密度为49.89 kW kg-1,利用石墨烯的引入加速电解液和电极间的电荷传递,利用其层间离子的高效输运能力,增强电解液对电解液的吸附能力,促进更多的电子传递,最终提升电池的比容量。 （2）基于NiS2/LIG材料的纳米摩擦发电机（TENG）实验探究出了自供电系统的闭环,从而为收集间歇性的可持续性的能量提供了可能性,柔性TENG有着与以前的纳米发电机相似的优点,比如输出稳定性、电压较低、能量转换效率高。除此之外,柔性TENG使用的基底PDMS柔性较强,为它带来了柔性与人体更高的象形,TENG还可以对细小微弱的信号有反应,这种表现能力对各种动能的收集有着巨大帮助,在有着较大温差以及较大湿度和特殊气体环境下也有着令人惊喜的表现,所以延伸出了传感系统。 （3）基于NiS2/LIG材料的穿戴式力学传感器系统,通过先预拉伸后释放预拉伸,以使电极材料具有褶皱结构,这种褶皱结构用于增大电极材料的接触面积。电极材料中的镍硫化合物更小的能带带隙和更优异的导电性能,更容易实现电子的转移扩散、以及材料结构的相变,通过与三维多孔石墨烯泡沫材料复合,提高对穿戴式力学传感器的供能效果,实现了穿戴式力学传感器的多功能、高性能和一体化。通过研究,期望获得一种形貌优良、比容量高、循环稳定性好的NiS2/LIG电容器负极材料,为实现高能量、高功率的柔性超级电容器及传感器提供理论依据。

关键词： 石墨烯   液相剥离   二维纳米材料   高剪切   微通道   高效制备  

摘要： 石墨烯是一种具有优良物理化学性质的二维纳米材料，广泛应用于电池、催化、传感器、印刷、生物医药等领域。然而，石墨烯及其衍生产品的应用与发展面临着巨大挑战——低成本、高品质、规模化生产。本文综述了液相剥离法高效制备石墨烯的研究进展，重点探讨了电化学插层法、溶剂插层法、高温膨胀法和微波膨胀法等液相剥离的前处理方法原理以及对石墨烯剥离效果的影响；分析了水基溶剂、有机溶剂和混合溶剂等剥离溶剂的优缺点与选取原则；对比了超声、高剪切和微通道等过程强化设备的剥离原理和优缺点；简述了离心分离的后处理方法以及分离效果；最后对液相剥离法宏量制备石墨烯的发展趋势进行了展望：通过结合人工智能等方法进行多目标优化，开发无残留的功能化插层剂并匹配温和快速的膨胀方法，寻找低毒、低沸点、高分散的溶剂体系，精确调控液相剥离设备作用机理，设计连续化梯级离心设备，实现液相剥离制备石墨烯的连续化、规模化、低成本快速制备。

关键词： TiO2   氧化石墨烯   异质结   光催化制氢   光电催化  

摘要： 过度使用化石燃料不仅导致环境污染,还引发了能源短缺问题。鉴于此,迫切需要开发清洁、廉价的能源,以减少环境污染并缓解能源危机。在这一背景下,太阳能开发利用变得尤为重要。光催化技术是一项有望解决这些问题的技术,它能利用太阳能分解水制取氢气,或者将二氧化碳还原为碳氢燃料（甲烷、甲醇等）,其具有环境友好和缓解能源危机等诸多优势。各种光催化剂中,二氧化钛（TiO2）因其价格低廉、安全无毒等特点而备受瞩目。然而,TiO2的缺点包括可见光利用率低和光生载流子复合速率快,这些限制了其实际应用。为解决以上问题,近年来研究者已经做出了许多努力,包括金属离子掺杂、复合材料制备、贵金属负载、异质结构构建和染料敏化等方法。本文通过将二氧化钛分别与氧化石墨烯和钒酸铋复合来改善其光催化性能。主要内容如下: 1.采用水热合成方法合成了不同氧化石墨烯（GO）含量的TiO2/GO/Ni二维纳米片样品。系统地研究了GO对TiO2的结构、形貌和光学性能的影响。与不含GO的TiO2相比,TGN0.5的制备使催化剂的光催化性能显著提高,产氢速率达到1332μmol·g-1·h-1。引入GO和Ni增强了对可见光的吸收,并降低了光生电子空穴对的复合速率。同时,其薄片状形态,在反应过程中能够提供更大的比表面积和活性反应位点,使水分子能够充分接触和反应。因此,在光催化产氢过程中,样品显示出相当大的光催化活性。 2.通过水热法制备了氨基修饰的二氧化钛与钒酸铋复合的光催化剂。通过电化学测试的表征手段,揭示了复合材料活性增强的原因。首先,氨基修饰的二氧化钛具有更多的活性位点,这一特性使得复合材料在光催化反应中表现出更高的活性。此外,氨基修饰还会引入氮掺杂,这进一步增强了二氧化钛对可见光的吸收能力,从而提高了光催化反应的效率。最后,二氧化钛与钒酸铋之间形成了S型异质结。这种异质结的存在促进了光生载流子的分离,抑制其复合过程,从而有效提高了光电催化效率。

关键词： 碳基材料   石墨烯   加热特性   防冰性能   除冰性能  

摘要： 低温环境产生的结冰现象,影响航空航天及土木建筑等结构设施的使用安全性和可靠性。人们开展了大量富有成效的研究,发展出多种防除冰技术。其中在电加热防除冰技术中,以碳基材料为核心元件的加热技术具有优良的导电、导热性能,应用潜力较大,开展相关研究具有较高的学术和工程应用价值。 本论文在已有研究基础上,研制了一种碳基材料复合柔性电加热防除冰薄膜,主要研究内容及结论如下: （1）复合薄膜的设计与制备:制备出一种以碳基材料为加热主体的防除冰元件,改善电加热防除冰方式加热效率慢的劣势,解决以环氧树脂作为粘结剂带来的复合结构柔性差的问题。研究了复合薄膜的分层结构设计、选材和制备工艺。本研究制备的薄膜复合结构采用8个功能层叠合粘接而成;先采用手糊工艺制备初型,再进行真空热压成型,提高产品的力学性能。加热层是复合薄膜的关键功能层,采用上下两块石墨烯薄膜中间夹一根铜制“弓字形”电路丝胶结而成。参考相关规范,对4种粘结剂聚酰亚胺、环氧树脂、氧化硅、酚醛树脂进行优选。试验结果表明聚酰亚胺作为粘接剂不仅能满足作为复合材料基体和粘接剂的粘接强度要求（10MPa～30MPa）,其弯曲性能最佳,具备最好的柔性。防除冰薄膜通常粘贴在结构的外表面,需要具备一定的韧性,因此设计了一层以聚酰亚胺为基体,添加碳纳米管制成的增韧层,延长复合薄膜的使用寿命。 （2）复合薄膜的升温与防除冰性能验证:通过实验,测试了纯石墨烯薄膜和带导电铜丝的复合薄膜随电压变化的电阻值,纯石墨烯通电电阻平均值为191Ω,石墨烯加上弓字形电路的电阻值为212Ω。带导电铜丝的复合薄膜电阻优于纯石墨烯薄膜且电阻随电压无明显变化保持发热稳定,升温性能更佳。采用热电偶九点测温法和热成像测温法,获得了室温条件下复合薄膜表面温升情况,带导电铜丝的复合薄膜在通电功率为300W/m2时最高温可达54.3℃。在低温条件下,通电功率为100W/m2时,可实现在-10℃防冰功能;通电功率为200W/m2时,可实现在-20℃防冰功能。在结冰条件下,通电功率为400W/m2,冰层厚度为1cm、2cm、3cm时,冰层脱落时间分别为12分17秒、11分35秒和11分12秒,除冰后材料表面温度为0.6℃左右。结果表明:本文研制的碳基材料复合薄膜具备较好的升温性能,可实现防除冰功能。 （3）复合薄膜的拉伸剪切性能实验:对新研制的复合薄膜进行拉剪实验,获取薄膜在不同工况下的剪切强度。分析了制备工艺对复合薄膜剪切强度的影响,实验表明热压成型工艺相较手糊成型工艺强度提高了36%及以上。对整体制备环境进行分析,手糊成型依赖操作者的工艺技巧、大多为室温下进行制备、采取重物压制而成,而热压工艺处于真空环境之中,强大的压力与极高的温度造就其产品更加紧实、层间间隔空隙更少,材料相应承受压力更大、强度更强。本文研制的碳基材料复合防除冰薄膜的剪切强度集中于500-600MPa之间,现有的手糊制备的碳纤维层合板强度集中在300-450MPa。结果表明,本研究制备的碳基材料复合柔性薄膜抗剪强度优于现有手糊制备的碳纤维层合板,具有一定的抗剪强度可以满足使用强度要求。

关键词： 石墨烯   聚合物导电纱线   Simmons隧道拟合公式   导电机制  

摘要： 本文利用多壁碳纳米管做导电纳米助剂,通过熔融纺丝法成功制备出石墨烯/聚合物导电纱线。通过探究多壁碳纳米管和石墨烯微片的含量对聚合物导电纱线电学性能的具体影响,以及导电纱线在不同温度下的电学性能变化,进一步利用Simmons线性拟合公式深入探讨聚合物导电纱线的微观导电机制。这些研究成果对纳米复合纤维领域的开发和应用具有极其重要的科学意义。 第一章重点介绍了石墨烯及其纺织品的特性,以及复合纤维的制备方法。第二章详细阐述了实验中所使用的主要材料和仪器设备。第三章对目前市场上的石墨烯纺织品进行了简单的概述。 第四章用熔融纺丝技术成功制备了石墨烯/聚合物导电纱线,并采用常见的表征方式对其进行检测,着重对掺杂多壁碳纳米管(CNTs)和石墨烯微片(GNPs)的导电纱线进行了电学性能的探究。实验结果表明,两种碳纳米材料含量的增加,皆会显著提升聚合物纱线的电学性能。此外,进一步探讨了这些聚合物纱线在不同温度下的电学性能变化,研究显示这些纱线展现出了优异的热稳定性。 第五章利用Simmons隧道拟合公式,对聚合物纱线的电流密度-电压曲线进行拟合,成功提取了三个关键参数:势垒高度、势垒宽度参数、接触面积相关量。分析结果揭示了多壁碳纳米管含量的增加在微观层面上促进了多壁碳纳米管之间的接触,从而完善了聚合物纱线内部的导电网络。此外,石墨烯的引入显著改善了导电网络的结构,将原本由线与线形成的“点接触”转变为线与面形成的“线接触”,大幅增加了导电材料之间的接触面积。且在变温测试中,这三个重要参数均未表现出明显的变化,这一结果进一步证实了石墨烯/聚合物导电纱线的电子传输主要通过隧穿机制进行。 在第六章,对本论文所做的工作进行总结,并探讨石墨烯/聚合物导电纱线未来的潜在研究方向,同时对其在智能电纺领域的广泛应用前景进行了展望。