关键词： 海藻无纺织物   石墨烯   叉指电极   压力传感器  

摘要： 随着可穿戴电子设备在日常生活中的日益普及,纺织材料因具有柔软、舒适、透气等特点被广泛应用于柔性压力传感器中。近年来,海藻纤维因其具备抗菌、可降解、可再生、高吸湿性、生物相容性、无毒性和不可燃性等优点,展现出了广阔的应用前景。海藻无纺织物的厚度和多孔结构,使其能够较易与导电材料相结合,这使其有潜力成为功能性导电纺织品的重要原材料。石墨烯作为一种敏感材料,具有出色的导电性、机械性能以及良好的传感性能,经常用于与纺织基材集成以制造纺织基柔性压力传感器。本课题以海藻纤维无纺织物为基底制备柔性压力传感器,得出以下结论: （1）实验通过氧化还原法制备RGO海藻无纺织物,实验探究了浸渍次数、还原温度、还原浓度对无纺织物导电性的影响。结果表明,在浸渍次数为5次,还原温度为90℃,抗坏血酸浓度为0.1 mol/L条件下时,制备的RGO海藻无纺织物的导电性最佳,最低表面电阻值达到0.54 kΩ。在经过30次洗涤烘干循环后,织物电阻值增加了1.16倍;在对RGO无纺织物弯折500次后,电阻值增加了1.12倍。单层的RGO海藻无纺织物在500次的循环加压过程中输出信号的稳定性较差。 （2）实验通过氧化还原法及磁控溅射法结合制备Ag/RGO海藻无纺织物,制备9种不同规格的Ag叉指电极RGO海藻无纺织物,探究叉指电极的宽度和间隙对导电无纺织物的性能影响。结果表明,经过30次洗涤烘干后,Ag/RGO海藻无纺织物的表面电阻增加了1.16倍;经过500次弯折后,Ag/RGO海藻无纺织物的表面电阻电阻增加了0.57倍。在0-4 kPa范围内有较高的灵敏度,其中叉指电极规格为0.15cm-0.1 cm的导电无纺织物的灵敏度最高,为-5.3 kPa-1;在4-14 kPa范围内,其中叉指电极规格为0.15 cm-0.15 cm有相对较高的灵敏度,为-1.48 kPa-1。当叉指电极间隙为0.1 cm时,Ag/RGO海藻无纺织物在500次循环加压下的稳定性较好,而间隙为0.05 cm和0.15 cm的导电无纺织物耐循环稳定性较差。 （3）通过组装法制备三层结构柔性压力传感器,对其进行耐弯折、耐洗性测试,以及传感器的传感性能测试。结果表明,在500次弯折的过程中,三层结构柔性压力传感器的电阻值增加了0.75倍。在0-4 kPa下,不同型号三层结构无纺织物压力传感器灵敏度,当中间层Ag/RGO海藻无纺织物的叉指电极规格为0.15 cm-0.15 cm时,三层结构无纺织物传感器的灵敏度最高,为-5.75 kPa-1;当在4-14 kPa下,中间层Ag/RGO海藻无纺织物的叉指电极规格为0.15 cm-0.1 cm时,三层结构无纺织物传感器的灵敏度最高,为-1.9 kPa-1。中间层导电织物的叉指电极规格为的宽度为0.05cm和0.1 cm时,间隙为0.1 cm的三层织物传感器电学信号稳定性最优;当中间层导电织物的叉指电极规格的宽度为0.15 cm时,间隙为0.05 cm的三层织物传感器电学信号稳定性最优。制备的三层结构柔性压力传感器可应用于鼠标点击时的信号识别、手指弯曲识别、抓取不同重量重物识别、数据护肘、数据手套等。 通过研究传感器中叉指电极的参数设计,可以深入探索叉指电极与导电无纺织物的相互作用关系以及对传感器性能的影响,为优化传感器性能提供理论依据,为开发具有高灵敏度的压力传感器提供新的思路和方法。此外,Ag/RGO海藻无纺织物压力传感器能够实现人体动作识别,可制备成数据手套或数据手套,在健康监测、运动训练等领域有广阔的应用前景,能够为智能可穿戴技术的发展和普及做出积极贡献。

关键词： 石墨烯   电介质纳米线   波导   多极方法   有限元法  

摘要： 表面等离子波导能够传导突破衍射极限的亚波长约束的电磁波,其在具有高集成度的光学回路中具有优异的导波性能。与贵重金属材料相比,涂覆石墨烯的表面等离子波导具备低损耗、强模式约束和可调谐性三种显著优势。基于石墨烯材料的波导结构是近年来的一个研究热点。多极方法是一种半解析方法,是处理基于涂覆石墨烯的圆柱形和椭圆柱形电介质波导的模式问题的有力工具。本文采用多级方法重新对我们组先前采用数值方法研究过的涂覆石墨烯的波导进行研究,并对模式的形成机制给出了清晰的物理图像。本文的具体工作如下: (1)对双椭圆和圆柱电介质纳米线并行且在纳米线外层涂覆石墨烯的波导的基模进行多级方法分析,并采用有限元法对计算结果进行了验证。研究了两种计算方法的结果之间的相对误差随多级方法展开项数的最大值、工作波长、费米能、椭圆柱形纳米线的半长轴及半短轴、纳米线表面之间的横向间距以及圆柱形纳米线的相对高度或半径变化时的规律。通过对场与石墨烯相互作用的解释,我们深入了解这些参数变化对计算精度影响的原因。 (2)采用多极方法和有限元法对涂覆石墨烯的双圆柱和椭圆柱电介质纳米并行线波导的基模进行了分析。通过分析两种计算结果的误差,研究级数展开项数、工作波长、费米能及结构参数对波导的有效折射率实部和有效折射率虚部计算精度的影响。并通过分析场与石墨烯相互作用解释计算精度变化的原因。 本文采用的多极方法是处理涂覆石墨烯的混合电介质纳米并行线波导的模式问题的有效方法。本文的研究结果对指导波导的设计、制作和应用具有重要的参考价值。

关键词： 天然橡胶复合材料   氧化石墨烯   自由基   巯基   热学性能  

摘要： 天然橡胶（Natural rubber NR）具有高弹性、高强度、高绝缘性、耐磨损和抗撕裂等优异性能,作为一种战略资源,发挥着人工合成橡胶无法取代的重要作用,被广泛应用于日常生活和军事领域,如飞机轮胎、工程车辆轮胎、国防大型载重车轮胎等。但是,由于NR制品的特殊使用环境,在使用过程中,会受到不同应力影响,交变外力作用导致复杂变形的同时,一部分能量会因橡胶的内摩擦而转变为热能,使轮胎内部产生大量热量,进而引起轮胎温升、开裂等现象,缩短轮胎的使用寿命,引起巨大安全隐患及经济损失。因此,提升橡胶制品的整体性能十分必要。未来,轮胎主要朝着强韧化、低生热进而延缓老化的方向发展。本论文本着绿色发展理念,从填料结构入手,探究并揭示了填料结构对橡胶复合材料热学及力学性能的影响,为后续设计与制备低生热、强韧化的橡胶复合材料提供了新的研究思路及策略。本论文研究内容如下: （1）通过绿色环保的球磨法制备富自由基氧化石墨烯（BGO）作为补强填料,使用胶乳共沉法制备复合材料。通过控制球磨时间,探究球磨对氧化石墨烯（GO）表面碳自由基及其结构的影响,进而探究其在NR基体中对自由基及填料与填料、填料与分子链间的影响。结果表明,球磨法不仅减小了GO的片径,同时还赋予GO丰富的边缘缺陷并引入少量含氧官能团。随着球磨处理时间的逐渐增长,BGO表面缺陷密度、sp3结构及自由电子（碳自由基）有所提高。经EPR与ID/IG线性拟合证明,碳自由基主要来源于球磨对BGO表面所制造的缺陷处。在填料含量为0.5份下,与未经球磨的氧化石墨烯天然橡胶复合材料（NR/GO/CB）相比,由于BGO较好的分散及较强的清除自由基能力,其在高温情况下体系内部自由基呈现下降趋势,其生热值降低12%,拉伸强度提升7.83%,撕裂强度提升24.18%。 （2）通过所制备的BGO作为基础填料,选用高效表面活性剂γ-巯丙基三乙氧基硅烷偶联剂（KH580）作为巯基提供体,使用一步法在BGO表面接枝巯基,制备功能化填料（BGO-SH）,并使用胶乳共沉法制备天然橡胶复合材料。通过控制BGO-SH在NR中的填入量,探究KH580对BGO表面结构及官能团影响,进而探究其在NR基体中对交联密度、热学及力学性能的影响。实验结果表明,γ-巯丙基三乙氧基硅烷偶联剂可有效接枝到BGO表面。当活性剂与BGO质量比为2.5/1、填料份数为0.5份时复合材料的综合性能较好。这主要是由于BGO-SH表面丰富的巯基可作为交联过程中的硫源,从而增加填料表面与分子链间的交联位点,使交联过程加快并提升橡胶复合材料加工性能。相较于NR/GO/CB而言,其拉伸性能提升16.23%,撕裂强度提升30.51%,导热系数值提高24.79%,压缩生热值下降18.22%。

关键词： 条带石墨烯   石墨烯微球   石墨烯薄膜   体积能量密度   超级电容器  

摘要： 石墨烯具有独特的单原子二维平面结构和优异的物理、化学性质,使其在传感器、可穿戴电子产品、超级电容器、锂离子电池等领域广泛应用。石墨烯作为超级电容器的重要电极材料,但其堆积密度相对较低(≤0.6 g cm-3),导致其体积比容量较差(≤120 F cm-3),并限制了其在小型电子器件中的应用。针对这个问题,本论文以致密的石墨烯微球为研究对象,通过提高石墨烯材料的堆积密度（ρ）、质量比容量（CG）和超级电容器的工作电压（V）,从而增加石墨烯基超级电容器的体积能量密度（EV）。具体的研究内容如下: 1.以氧化石墨（GO）为原料,通过在液氮中实施“喷雾-快速冷冻”的方法制备了条带氧化石墨烯（IGOR）。在此基础上,进一步对IGOR进行双氧水（H2O2）蚀刻造孔、臭氧氧化以及混合碳纳米管（CNT）,最后通过喷雾干燥和碳化等工艺制备了功能化石墨烯微球（FGR）。其中,IGOR具有独特的条带状结构,可使石墨烯材料具有更多的边缘位,从而提供更多的活性位点;通过H2O2蚀刻可增加石墨烯表面的孔道以加快离子的传输;臭氧氧化可使其引入大量的含氧官能团,有利于增加材料的活性位点,并通过含氧官能团发生氧化还原反应提供赝电容来提升材料的比容量;CNT的混入可以提高材料的导电性。因此,所制备的FGR电极材料具有较多的活性位点、高效的电子和离子传输途径和稳定的含氧官能团等功能的集成。这使得FGR电极材料展现出高堆积密度(1.02 g cm-3)、高体积比容量(在1 A g-1下的体积比容量为442.7 F cm-3)、高倍率性能(在100 A g-1时保持初始体积比容量的70%)以及高质量负载(12 mg cm-2)。FGR组装的对称超级电容器（FGR//FGR）在体积功率密度为120.9 W L-1时,可以提供高体积能量密度(30.2 Wh L-1)。这种功能化集成的石墨烯微球电极材料的开发,有助于小型电子储能设备的进一步发展。 2.以条带氧化石墨烯（IGOR）为“粘结剂”,与功能化石墨烯微球（FGR）进行三维空间组装,并利用真空抽滤的技术制备了致密的条带石墨烯-功能化石墨烯微球复合薄膜材料（FGRF）。其中,IGOR在构建离子扩散通道和增强薄膜力学方面发挥作用;而FGR可阻止IGOR的聚集,并通过自身孔道设计确保电解液离子能够快速扩散和传输,从而解决因石墨烯致密化导致的电解液离子扩散阻力增加的问题。FGRF薄膜作为无导电剂和无粘结剂的整体电极材料,堆积密度为0.97 g cm-3,在6 M KOH电解液中,FGRF薄膜材料的体积比容量为285.6F cm-3(1 A g-1),并且循环性能稳定（20000次循环后容量保持率为106.5%）。在1 M Na2SO4电解液中,通过对FGRF薄膜材料组装对称超级电容器（FGRF//FGRF）,在体积功率密度为98.1 W L-1时,其体积能量密度为24.5 WhL-1。

关键词： 直接墨水书写技术   石墨烯   光辅助锂氧气电池   结构设计   异质结工程  

摘要： 能源存储是目前国内外前沿研究的热点。在应对实际应用场景长续航能力的严苛要求时,锂氧气电池因其理论能量密度高,成为下一代最具发展潜力的储能系统之一。因此,深入研究并发展具有高容量和长循环寿命的锂氧气电池,成为科研领域亟待突破的研究方向。目前,由于锂氧气电池放电产物过氧化锂（Li2O2）不溶且导电性差,仍面临着倍率性能差、充放电过电位大、容量衰减快以及循环稳定性差等问题。通过引入光场,利用光催化剂在光照下激发产生的光生电子和光生空穴参与氧还原反应和析氧反应,可以辅助降低电池的充放电过电位,进而提高电池的性能。因此,本文一方面通过构筑具有垂直宏观孔隙的自支撑3D打印石墨烯基空气电极,优化电极微观三维结构;另一方面,采用异质结工程优化电极材料光催化效率,设计构建一系列光辅助锂氧气电池空气正极。并采用多种电化学测试和材料表征手段,研究3D打印空气正极的电化学性能和放电机理,揭示空气正极结构、光电双功能催化剂与电池性能之间的关系。主要研究内容如下: （1）采用直接墨水书写（DIW）技术,设计制备具有宏观垂直孔隙结构的3D打印rGO/TiO2空气正极。通过改变打印的路径和层数,对rGO/TiO2正极结构进行优化。打印出的电极通过冷冻干燥保持了电极内部的微观三维结构,利用HI和退火双重还原提高了电极的导电性,获得了具有高效电子/离子三维传输网络的rGO/TiO2-4-700-HI空气正极。在0.06 mA·cm-2电流密度下,3D打印rGO/TiO2-4-700-HI空气正极的放电容量为9.72 mAh·cm-2。光照下,电池的充放电过电位为1.01 V稳定循环1000 h。 （2）为进一步增强空气正极的光催化效率,简单的增加催化剂的负载量,容易造成电池内部离子/电子转移的动力学滞后。因此,设计制备p-n异质结构3D打印富含氧空位二氧化钛/还原氧化石墨烯/碳纳米管（Ov-TiO2@rGO/CNTs）空气正极。通过退火,GO内部的含氧官能团去除并和Ov-TiO2不饱和配位点形成共价键,Ov-TiO2和rGO通过Ti-C键相互作用,形成促进电荷转移的通道,从而增强电池的倍率和循环稳定性。此外,通过引入碳纳米管增加了电极内的微孔和介孔,同时减少石墨烯纳米片堆叠产生的反应活性位点不足等负面影响。实验表明,在0.5 mA·cm-2的高电流密度下,以3D打印Ov-TiO2@rGO/CNTs为空气正极的锂氧气电池的暗态放电容量为8.3 mAh·cm-2,循环了160次。在光照下,能够提供17.43 mAh·cm-2的放电容量,稳定循环200次。 （3）Z型异质结光催化剂不仅可以提高载流子分离效率,同时可以提供更高氧化还原能力的光生载流子。因此,通过热聚合法,高温煅烧尿素和TiO2混合物,制备Z型异质结g-C3N4/TiO2（gCNTO）。设计制备了Z型异质结构3D打印gCNTO/rGO/CNTs空气正极。由于异质结的存在,在空间上有效分离光生电子和光生空穴,抑制光生载流子的复合。促进光生载流子参与反应,降低充放电过电位,实现3D打印gCNTO/rGO/CNTs空气正极高容量、高比能、长循环寿命的目标。实验表明,当电流密度为0.5 mA·cm-2时,3D打印gCNTO/rGO/CNTs空气正极在光照下放电容量能够达到29.73 mAh·cm-2,即使在1.0 mA·cm-2的大电流密度下,放电容量仍然能够达到16.64 mAh·cm-2。同时还表现出在低温环境下运行的理想的商用价值。

摘要： 日前，我国学术期刊《国家科学评论》刊发针对月壤研究的最新成果。研究人员通过对嫦娥五号钻采岩屑月壤进行严谨的观察与分析，发现了天然形成的少层石墨烯。这一突破性发现为国际首次。与富含水分和有机物的地球土壤不同，月球直接暴露在太阳辐射和微陨石轰击之下，因此形成的月壤不含有机质，且极度缺水干燥。人们不禁好奇，天然石墨烯究竟是何来头，未来又有哪些潜在应用？