关键词： 拉伸强度   300%定伸应力   耐磨性能   农业子午胎胎面胶  

摘要： 为提高胶料的拉伸和耐磨性能，优化农业子午胎胎面胶配方，本文研究了石墨烯母胶LYNR-371在农业子午胎胎面胶中的应用。结果表明，农业子午胎胎面胶配方的生胶体系采用天然橡胶与丁苯橡胶并用方式，添加适当份数的石墨烯母胶LYNP-371，可有效提升胎面胶的耐磨性能，拉伸性能也有了明显提高。

关键词： 二维材料   声子   石墨烯   六方氮化硼   高分辨电子能量损失谱  

摘要： 声子作为固体中晶格振动的能量量子,是材料中最重要的元激发之一,对材料的电学、热学、光学、磁学和机械性能都有显著的影响。二维材料是一类具有单层或几层原子厚度的晶体材料,其独特的物理性质引起了广泛的研究兴趣。但是理解二维材料的晶格动力学非常具有挑战性,这主要受到二维体系声子测量的限制。本论文利用能够同时进行能量-动量二维分辨的高分辨电子能量损失谱（2D-HREELS）,对两种经典的二维材料,石墨烯和单层六方氮化硼（h-BN）的声子色散进行了仔细的测量,发现了它们独特的声子行为并研究了背后的物理机制。本论文的主要内容包括: （1）研究了HREELS的散射机制。在偶极散射区,我们发现慢电子非弹性散射的散射几何效应会显著影响等离子体激元的识别。我们以单层石墨烯/6H-SiC（0001）为例,利用2D-HREELS测量结合散射强度分布计算,直观地展示了散射几何因子的强度分布。我们证明散射几何效应产生的能量损失峰可能会被误解为声学等离激元的特征。我们强调,在任何HREELS的测量中,识别材料本征激发前都要先定量评估散射几何因子的影响。在碰撞散射区,我们开发了结合第一性原理计算的HREELS碰撞散射的声子散射截面模拟程序。通过与石墨烯声子色散实验测量的比较,发现实验测量沿着高对称方向不可避免的小角度偏移会使得原本选择定则禁忌的声子模式被观测到。 （2）研究了石墨烯中的拓扑声子。使用2D-HREELS在整个二维布里渊区直接绘制了石墨烯的全域声子谱,并观察到两个Nodal-ring声子和四个Dirac声子。我们的测量清楚地揭示了二维动量空间中Nodal-ring声子的闭环结构和Dirac声子的锥形结构,与我们的理论计算很好地吻合。我们对石墨烯声子的测量为二维材料拓扑声子的研究提供了范例。 （3）研究了石墨烯声子色散的非绝热电子-声子相互作用。我们观测到石墨烯/Cu（111）体系中石墨烯声子的异常硬化和软化（Kohn异常）,分析表明这可能来源于石墨烯声子和Dirac电子的非绝热电声相互作用。对比双层石墨烯和高定向热解石墨上的测量,以及以往的实验研究,我们描绘出了石墨烯声子色散的非绝热效应随掺杂浓度的依赖行为。 （4）研究了二维单层极性材料中纵向光学（LO）与横向光学（TO）声子劈裂（LO-TO splitting）的失效。以单层h-BN为典型的例子,用2D-HREELS直接观察了二维极性材料中LO-TO劈裂的失效和LO声子在布里渊区中心的有限斜率。我们发现,由于铜箔衬底的屏蔽,LO声子的斜率低于独立单层的理论预测值。这使得单层h-BN/铜箔中的声子极化激元表现出超越二维极限的超慢群速度(～5×10-6c,c为光速))和超高光约束（波长比光小～4000倍）)。我们的工作揭示了二维极性材料中LO声子的普遍规律,为进一步研究二维材料中的声子极化激元奠定了物理基础。

关键词： 碳烟尘   石墨烯   超级电容器   交流滤波   高频响应   环境可持续  

摘要： 随着人们对电子设备微型化、便携化的追求,广泛用于交流滤波的铝电解电容器因其体积大的劣势无法满足轻量化电子元件的发展。超级电容器作为一种具有高能量密度、高功率密度的电化学储能器件在替代铝电解电容方面显示出巨大的潜力。目前的研究报道已经对应用于交流滤波超级电容器的各种碳基纳米结构进行了大量研究,但是大多数研究通常需要使用昂贵的原材料或采用复杂的合成工艺,限制了高性能电极材料的大规模制备及应用。因此,开发廉价、高性能的交流滤波超级电容器对未来的发展至关重要。碳烟尘是含碳材料燃烧产生的排放物,它们广泛存在于环境中造成大量环境污染并对人类健康产生威胁,通过回收利用有利于减少其危害。典型的碳烟尘颗粒具有正表面曲率、大量的介孔结构和高导电性,为其在高频率下实现优异的交流滤波性能提供了充足的可能性。首先,我们通过化学气相沉积制备出碳烟尘-石墨烯复合结构,以实现良好的60 Hz交流滤波性能。碳烟尘可以很容易地从燃烧材料中获得,其具有正曲率表面的颗粒相互连接形成大量介孔,相互连通的孔隙结构有利于电解质离子的快速扩散。由甲烷或生物质花生油制备的石墨烯有助于降低电极的界面电阻。这些协同作用使超级电容器展现出优异的频率响应性能:在120 Hz频率下具有-80.7°的高阻抗相位角、0.213 ms的极小RC时间常数和高达509μF V2 cm-2的能量密度,同时也展现出优异的电化学稳定性以及良好的交流转直流性能。基于碳烟尘的优良滤波性能,我们构建了碳烟尘/碳纳米棒/石墨烯复合结构。碳烟尘为电解质离子的吸附提供了大量活性位点,丰富的介孔结构促进了电解质离子的快速扩散。聚吡咯碳化形成的碳纳米棒形成开放的孔隙结构,为电解质离子的扩散及转移提供了有利通道。石墨烯薄膜极大地降低了界面电阻,提高了超级电容器的快速响应性能。基于此复合结构的水系超级电容器在1000 Hz的高频率下展示出-73.3°的阻抗相位角以及34.6μF cm-2的面积比电容,并且具有良好的交流转直流性能,输出电压纹波系数仅为1.5%,满足用电器的使用要求。本文提供了一种将碳烟尘这种环境污染物回收利用并制备高性能交流滤波超级电容器电极材料的方案,为开发易于从自然界获取、环境可持续、低成本且高性能的碳基电极材料提供了新途径,有助于减少碳烟尘对环境、气候和人类健康的危害,同时为滤波电子器件的大规模与低成本制备提供了新的思路。

关键词： 氮化硅陶瓷刀具   石墨烯包覆碳化硅   力学性能   微观结构   切削性能  

摘要： 为了解决单一基体Si3N4陶瓷刀具材料机械性能差的问题,本文采用SPS烧结制备了Si3N4/SiC@G陶瓷刀具材料,优化了烧结工艺和烧结助剂体系。利用液相激光辐照技术制备了石墨烯包覆碳化硅（SiC@G）纳米颗粒,将SiC@G纳米颗粒加入到Si3N4陶瓷基体中制备了Si3N4/SiC@G陶瓷刀具材料。通过热重分析确定SiC@G纳米颗粒中石墨烯含量,设立对照实验组制备Si3N4/SiC@G、Si3N4/SiC/G和Si3N4/SiC陶瓷刀具材料,分析了包覆颗粒的增韧机制。通过实验确定氮化硅陶瓷刀具的最佳烧结工艺和烧结助剂含量,在烧结温度1650℃、保温时间6 min、烧结压力30 MPa、烧结助剂含量9 wt.%时,制备了维氏硬度为15.91 GPa、抗弯强度为798.92 MPa、断裂韧性为7.79 MPa·m1/2的陶瓷刀具材料。将SiC@G纳米颗粒加入到Si3N4陶瓷基体中制备了Si3N4/SiC@G陶瓷刀具材料。这种特殊的包覆结构可以结合两种材料的优点,既提高了陶瓷刀具的耐磨性,又解决了SiC和石墨烯难分散的问题。SiC@G纳米颗粒在陶瓷基体中结合紧密,外层的石墨烯镶嵌在晶粒之间,增强了晶粒间的结合强度。经过实验验证,当SiC@G纳米颗粒添加量为5 wt.%时,Si3N4/SiC@G陶瓷刀具的维氏硬度、断裂韧性和抗弯强度比Si3N4陶瓷刀具材料提高了2.7%（16.34 GPa）、32.7%(10.34MPa·m1/2)和13.7%（907.31 MPa）。通过热失重分析计算SiC@G纳米颗粒损失石墨烯质量约为15%,设立对照实验组,研究SiC@G的增韧机理。实验结果证明,添加石墨烯的陶瓷刀具的维氏硬度降低,抗弯强度和断裂韧性提高。Si3N4/SiC@G陶瓷刀具材料与Si3N4/SiC/G陶瓷刀具材料相比,维氏硬度提高了11.7%（16.3 GPa）,抗弯强度提高了1%（907.31MPa）,断裂韧性提高了11.1%(10.34 MPa·m1/2)。通过HRTEM观察FIB制备的Si3N4/SiC@G薄片,SiC@G纳米颗粒在SPS烧结过程中依旧保持完整的包覆结构,SiC@G纳米颗粒填充在氮化硅颗粒与烧结助剂形成的玻璃相之间,加强了颗粒之间的结合能力,提高了陶瓷刀具材料的相对密度。SiC@G纳米颗粒与基体材料之间的强弱界面结合能够有效消耗断裂能的传播,提高陶瓷刀具材料的断裂韧性。对比三种陶瓷刀具材料的切削性能,在vc=200 m/min、ap=0.1 mm和f=0.102mm/r时,Si3N4/SiC@G陶瓷刀具的切削距离（2000 m）比Si3N4/SiC和Si3N4/SiC/G陶瓷刀具的有效切削距离分别提升了25%和12.5%。与Si3N4/SiC/G陶瓷刀具相比,前刀面的摩擦系数降低了18.9%。添加SiC@G纳米颗粒与分别添加石墨烯和碳化硅相比,特殊的包覆结构提高了SiC@G纳米颗粒的分散性和耐磨性,有效提高陶瓷刀具的切削寿命。

摘要： 内蒙古自治区石墨烯先进储能新材料重点实验室依托内蒙古自治区矿土土质改性及综合利用自治区重点实验室科研基础,结合乌兰察布市大力发展石墨烯、储能、氢能等新能源新材料背景,规划布局建设。目前,实验室已初步构建“五室一基地”,即分析检测制备实验室、化学合成实验室、性能检测实验室、石墨烯新材料合成实验室、新能源性能研究实验室、石墨烯车间,面积近10000平米。实验室团队成员36名,博士生占比61%,重要科研设备价值4000余万元。

关键词： 锡铋焊料   石墨烯   化学镀镍   剪切性能   热时效   晶体结构   电迁移  

摘要： 在低碳环保理念的指引下,电子产品正在向无铅化飞速发展。为了应对电子产品高集成化和高精密化的发展趋势,微电子互连焊点的可靠性要求日益严苛。Sn-58Bi低温无铅焊料因具有低成本、低能耗和高综合性能的特点,有望成为传统Sn-Pb焊料的替代品。然而,其服役过程中不均匀的脆性Bi相导致焊点可靠性下降的问题亟待解决。本文通过原位共还原法制备了Ni修饰的还原氧化石墨烯(r GO@Ni),采用机械搅拌法制备了r GO@Ni强化的Sn-58Bi复合焊膏。讨论了r GO@Ni的微观结构组成;设计了匹配于Sn-58Bi-r GO@Ni焊膏的回流工艺;研究了Sn-58Bi-r GO@Ni焊料与Cu基板界面金属间化合物(IMC)层的形貌在回流和热时效下的演变;分析了r GO@Ni对Cu/Sn-58Bi-r GO@Ni/Cu焊点的微观形貌、晶体结构和剪切断裂行为的影响,以及焊点在电场作用下组织形貌的演变。获得如下结论:(1)氧化石墨烯(GO)和Ni离子被次亚磷酸钠分别还原成还原氧化石墨烯(r GO)和Ni颗粒。GO表面的缺陷为Ni原子提供了良好的吸附位点,通过对r GO@Ni进行结构分析,推断可能形成了能够强化石墨烯与焊料之间结合的C-Ni键。(2)回流后,IMC层的厚度随着r GO@Ni含量的增加而减小。当r GO@Ni的含量为0.15 wt.%时,IMC层厚度相对于Sn-58Bi焊料最高可减小28%。剪切试验表明,Sn-58Bi-0.01r GO@Ni焊料的剪切性能最佳,比Sn-58Bi焊料的提高了15%,并且倾向于在焊料内部发生断裂,降低了焊点发生脆性断裂的可能性。(3)焊点在经过120 h时效(100°C)后组织会发生粗化,继续时效组织不再有明显变化,达到亚平衡态。Sn-58Bi-0.01r GO@Ni焊料的IMC生长速度最慢,0.01 wt.%r GO@Ni优化了焊点内部的晶体滑移系统,使焊点持有最佳的强韧性。(4)电载荷实验结果表明,在2.5×10A/cm的电流密度下通电时间超过240 h后,Sn-58Bi焊料和Sn-58Bi-0.15r GO@Ni焊料开始出现组织粗化现象,而Sn-58Bi-0.01r GO@Ni焊料的组织粗化发生在通电360 h之后。说明添加0.01 wt.%r GO@Ni能够减缓电流应力下焊点内部原子的迁移。

关键词： 吸波材料   石墨烯   异质界面   阻抗匹配   双频吸收  

摘要： 随着通讯技术和雷达技术的飞速发展,生活和军事所用电磁波频段越发宽泛,电磁波对人体健康、信息安全、军事安全等都产生了前所未有的挑战,在吸波材料“薄、轻、宽、强”的基础上,又产生了低频吸波、多频吸波等要求。本课题采用溶胶凝胶法、水热法、化学沉积法制备了吸波性能优异的Cu@Zn O/GNP复合材料。通过对不同比例的Zn O/r GO和Zn O/GNP形貌、结构和吸波性能进行对比,结合热力学理论,确定提升高性价比Zn O/GNP复合材料吸波性能的热处理方案,优化Zn O/GNP复合材料吸波性能。利用化学沉积法制备Cu@Zn O核壳结构,在Cu@Zn O/GNP复合材料中引入具有肖特基结和SPR效应的异质界面同时结合高温热处理方案改善吸波性能,最终得到低频、离散双频、强吸收的吸波性能。通过一系列分析测试方法,研究了异质界面、高温热处理对复合材料的吸波性能影响,对比分析了Zn O/GNP、Cu@Zn O/GNP的结构、吸波性能和吸波机理。 研究结果表明,随Zn O占比提升Zn O/r GO和Zn O/GNP吸波性能提升,当Zn O和石墨烯（r GO、GNP）质量比为1:10时,Zn O/r GO和Zn O/GNP复合材料均达到最佳吸波性能,最小反射损耗分别为-32.4 d B和-26.3 d B,厚度均为2 mm,对应频率分别为11.92 GHz和13.6 GHz。结合拉曼数据,Zn O/r GO ID/IG值为0.99;Zn O/GNP的ID/IG值为0.15,GNP缺陷程度较小导致复合材料吸波性能弱。采用热处理方法提升Zn O/GNP复合材料缺陷程度,热处理温度达到800℃,ID/IG值升至0.47同时Zn O中氧缺陷程度提升,丰富了材料的偶极极化,促进了材料对电磁波的介电极化,Zn O/GNP复合材料最佳吸波性能为-54.93 d B,对应频率为11.8 GHz,厚度2.5 mm,最大有效吸收带宽为5.2 GHz。 采用化学沉积法和水热合成法制备Cu@Zn O/GNP复合材料,通过调控Cu@Zn O在复合材料中占比来调控异质界面量,随异质界面量增大,复合材料呈现出双频吸收的特性,质量比为1:10时,最佳双峰吸波性能分别为-25.94 d B（4.08 GHz）、-25.84 d B（15.44 GHz）。在此基础上,通过控制热处理温度增强Cu@Zn O/GNP复合材料缺陷程度,增强了复合材料的偶极极化、界面极化,双频段吸波性能均得到优化,双频RLmin值分别为-50.12 d B（5.04 GHz、4.3 mm）,-31.65 d B（11.2 GHz、5.6 mm）。

关键词： 蒸发自组装工艺   石墨烯薄膜   导热性能   羧基化纤维素纳米晶  

摘要： 新世纪以来,随着各种微型电子器件的快速发展以及高度集成化,微型电子器件的功率也越来越大,不可避免地引起各种功率密度和热流密度迅速倍增,导致电子器件温度过高,严重影响其系统的稳定性和工作效率。因此,寻找导热性能优异的材料,增强电子器件的散热性能已成为下一代集成电路和三维电子设计的关键所在,也是推动微型电子工艺持续发展的重要因素。由于石墨烯材料具有密度低、导电导热系数高、耐候性强、弹性好、机械性能高、热膨胀系数低等优点,已发展成为国内外最具有前景的导热材料,一方面可以快速散热有效降低器件温度,另一方面可以降低重量以及热操控的难度。研究表明,单层或少层形式的石墨烯已被证明具有超高的导热系数(高达～5000W/m·K)。然而,其湿法还原工艺不够成熟,技术难度大,生产成本高,严重阻碍了它们在各种电子设备中的应用。在制备过程中,合适的氧化石墨烯前驱体,成熟的氧化石墨烯薄膜的制备工艺以及后处理条件,氧化石墨烯微晶尺寸大小及取向都会影响石墨烯薄膜的导热性能。因此探究一种缺陷修补剂来提升石墨烯薄膜的石墨化程度,制备完整的导热性能较高的石墨烯薄膜具有重要意义。本文通过湿法还原法制备微米级薄的石墨烯膜,并对其制备工艺及其导热性能进行探究,主要研究内容如下: (1)采用氧化石墨烯还原法制备石墨烯薄膜,探究还原工艺、高温热退火温度对其导热性能的影响。通过探究氧化石墨烯水溶液浓度、粘度及蒸发温度对蒸发自组装制备氧化石墨烯薄膜前驱体的影响;同时,改进传统热还原工艺制备石墨烯薄膜,在高温热退火后制备热导率为407 W/mK,电导率为3.3 × 10～3 S/m的石墨烯薄膜 (2)探究不同片径氧化石墨烯薄膜前驱体对石墨烯薄膜导热性能的影响。通过改进Hummers法自制备大片径氧化石墨烯分散液,将制备的大片径氧化石墨烯与超声粉碎小片径氧化石墨烯按照不同比例混合,当小片径氧化石墨烯混合质量分数为20%,混合石墨烯薄膜热导率最高达到607 W/mk,电导率最高达到2.3 × 10～4 S/m。 (3)研究羧基化纤维素纳米晶缺陷修补剂对石墨烯薄膜导热性能的影响。通过在大小片径混合氧化石墨烯水溶液中添加羧基化纤维素制备氧化石墨烯前驱体,在高温热退火石墨化过程中,当羧基化纤维素的添加量为混合氧化石墨烯质量的20%,制备的羧基化纤维素复合薄膜的导热导电性能最佳,其热导率最高达到852W/mk,电导率最高达到7.1×10～4 S/m。

关键词： 二维层状材料   石墨烯   二硒化钯   缺陷调控   热电性能  

摘要： 近年来，能源需求越来越大，随之带来的问题就是巨大的能源浪费。在实际生活中大部分的能量利用都以废热的形式耗散掉，然而，传统发电方式并不能回收利用已经耗散的废热，这也使得将废热回收再利用的技术变得十分重要。热电材料具有将热能直接转化成电能的优势而得到科学家们的关注，这种新型能源材料为废热的回收再利用提供了实际应用的可能。　　自热电材料被发现以来，许多优异的热电材料得到了充分的研究。现在市面上投入商用的大多是块体热电材料例如PbTe、GeTe和SnSe等，这些材料都有着很好的热电转换能力。随着纳米材料学的不断发展，低维材料不断被合成，这也促使科学家们越来越多的从理论和实验方面来研究二维材料的热电性能，其中许多二维材料都具有良好的热电性能，例如BP、MoS2、WSe2等。同时在对于二维热电材料的本征热电性能的研究外，研究者发现可以通过掺杂手段提高材料中的载流子浓度，从而提高材料的电学性能。通过引入缺陷，从而降低材料的热导率，同样也可以起到提高热电性能的作用。诸如这些调控手段可以改善热电材料的电学和热学性能，从而起到调控热电性能的目的。根据上述讨论，本论文主要研究内容如下:　　（1）研究等离子体轰击对二维材料缺陷引入的机理。我们尝试使用不同的功率和处理时间对单层石墨烯进行缺陷处理，并通过拉曼光谱表征手段确定不同操作下的单层石墨烯中的缺陷浓度与缺陷类型，从而确定了合适的功率强度开展本论文中的工作。　　（2）对于单层石墨烯热电性能的研究。首先，通过机械剥离，我们得到了大面积的单层石墨烯并制备热电测量器件，并在室温下测量了本征石墨烯与缺陷调控石墨烯样品的热电性能。随着等离子体处理周期的增加，样品中的缺陷类型由开始的sp3型缺陷演变成空位缺陷，导致在缺陷部位的散射增加，结果表明:随着缺陷的引入，单层石墨烯中的载流子散射增加，伴随着通道电阻的增加使得样品表现出的电导率降低、迁移率也降低的特征。　　（3）通过等离子体轰击PdSe2引入相变，从而提高电学测量性能。基于之前对少层PdSe2的研究，我们发现在Ar+等离子体辐照后，样品会有PdSe2到Pd17Se15的相变过程。通过引入缺陷，将样品与金属电极的接触部位进行从半导体相到金属相的一个转变，使得这部分样品与金属电极形成欧姆接触，更好地测量得到材料的电学信号。

关键词： 氧化石墨烯再生混凝土   三点弯曲法   断裂性能   尺寸效应   扩展有限元法  

摘要： 在长达半个多世纪的混凝土抗断裂性能研究中,尺寸效应一直是其中的关键问题。只有解决了混凝土抗断裂性能的尺寸效应,才能准确地通过小尺寸缩尺试件的试验结果来反应实际结构的抗断裂性能。在实际的工程中把天然骨料替换成再生骨料（Recycled Aggregate,以下简称为RA）不仅可以降低废弃混凝土对环境的影响,又可以减少天然骨料的开采。但由于再生骨料的性能较差,因此本文通过新型纳米材料氧化石墨烯（Graphene Oxide,以下简称为GO）对再生混凝土（Recycled Concrete,以下简称为RC）进行改性,基于国际材料与结构研究实验联合会（RILEM）推荐的单边切口梁,制作了7组氧化石墨烯再生混凝土（以下简称RC-GO）梁,来研究RA取代量、GO掺量、GO含氧量对抗断裂性能的影响规律。之后利用本文试验及相关参考文献中的氧化石墨烯再生混凝土力学性能参数,通过Abaqus软件中的扩展有限元法（XFEM）建立RC-GO梁模型对RC-GO梁断裂性能的尺寸效应进行进一步的研究。本文主要研究内容及成果如下: （1）以RA取代率、GO含氧量和GO掺量为变量设计了7组配合比,通过三点弯曲法对RC-GO梁试件进行抗断裂性能研究。采用电液伺服万能试验机进行三点弯曲试验,得到荷载-挠度（P-δ）曲线。之后通过相关理论公式计算得到各个试件的断裂能、断裂韧度、名义断裂强度和临界挠度,以此来分析RC-GO梁的抗断裂性能。试验结果表明,当RA取代量为100%、GO掺量为0.06%、GO含氧量为20%时,抗断裂性能提高效果最佳。 （2）基于相关参考文献已知的材料参数,建立了含预制裂缝的混凝土三点弯曲梁模型,通过与相关文献中试验数据的对比,验证了通过XFEM方法建立的混凝土三点弯曲梁模型的正确性。之后采用本文试验及相关参考文献测得的RC-GO材料力学参数,通过XFEM方法建立了RC-GO梁模型,将模拟得到的结果与本文的试验数据对比,验证了RC-GO梁模型可以作为实际构件的参考依据。 （3）建立5组几何尺寸不同的RC-GO梁模型并对其断裂过程进行模拟,同时对数值模型的缝高比及梁宽进行了参数化分析。结果表明荷载峰值会随着梁宽的增加而增加,但随着缝高比的增加而减小。在此基础上,结合数值模拟结果讨论CMODc、δc、σN、ae、临界裂缝尖端张口位移（CTODc）、断裂韧度等的尺寸效应,得到各断裂参数都存在不同程度的尺寸效应。为RC-GO梁在实际工程中的应用提供基础。