关键词： 石墨烯纤维   灵敏度   响应时间   稳定性   电流诱导高温加热   缺陷  

摘要： 温度的精确测量在许多科学和工业领域都是一个非常关键的问题,随着微机电系统（MEMS）的不断发展,温度传感器的小型化也成为一个巨大的挑战,这对传感元件的测温性能提出了新的要求。石墨烯纤维作为一种新型的碳基纤维,表现出优异的热、电和机械性能,有望促进新型温度传感器的开发。本文利用瞬态电热技术（TET）和电流诱导高温加热的方法对化学限域水热法制备的石墨烯纤维及其复合材料在10～292 K温度范围内的测温性能进行了研究并对比了复合纤维对测温性能的改善情况,主要实验结论如下:（1）所制备的石墨烯纤维电阻随温度的变化表现为典型的负温度系数（NTC）,电阻随温度的降低而增大。石墨烯纤维表现出较大的电阻温度系数（TCR）,在室温时与铂相当,但随着温度的降低TCR迅速增大,10 K时石墨烯纤维的TCR为铂的60倍以上,低温下的测温性能突出。在10～292 K温度范围内,石墨烯纤维的电荷输运并不只是由一种机制引起的,在150～292 K时热激活传导占主导地位,70～150 K时最近邻跳跃传导占主导地位,10～70 K时三维可变范围跳跃传导占主导地位。（2）实验中石墨烯纤维的热响应时间小于0.6 s,并且随着温度的降低而减小。得到石墨烯纤维在TET实验过程中的温升小于作为热传感材料（金和铱）的温升,用作TET新的传感材料可进一步提高实验的准确性。研究了石墨烯纤维的比热、热导率和热扩散系数,在热容方面石墨烯纤维表现出比铂更好的热响应特性。结构缺陷的影响导致石墨烯纤维的热导率远低于石墨烯,热扩散系数随温度的降低而增大。石墨烯纤维的特征响应时间（Δtc）,在室温时小于1 s,并随着温度的降低而减小。（3）对石墨烯纤维进行电流诱导高温加热,模拟结果表明最高温升在1700 K以上,经过电流诱导高温加热后石墨烯纤维的电阻降低,但TCR仍与退火前保持高度的一致性,表明其稳定性较好。引入阻温系数模型得到了电流诱导高温加热前后样品1的结构尺寸分别为0.41和0.94 nm,样品2的结构尺寸分别为0.60和1.30 nm。结构尺寸的增大表明电流诱导高温加热对石墨烯纤维内部的结构缺陷有所改善。（4）对氧化石墨烯和碳纳米管不同质量比的石墨烯-碳纳米管复合纤维进行了研究,发现氧化石墨烯和碳纳米管的质量比为16:10时表现出最好的电导率和热扩散系数,电导率增大了135.40%,热扩散系数增大了101.55%。得到质量比为16:10的复合纤维TCR的比石墨烯纤维小10%左右,复合纤维电流诱导高温加热前后的结构尺寸分别为1.16和1.74 nm。碳纳米管的添加使石墨烯纤维的测温灵敏度有所下降,但对其结构缺陷有所改善。

关键词： 石墨烯   锥形微结构光纤   全光调制   低损耗光纤调制器   光纤调制系统  

摘要： 光调制器作为高速、长距离通信系统的关键光器件,其作用是将携带信息的电信号加载到光波上,从而提高信号的传输效率。目前,光调制器大多由传统材料和非光纤类波导结构组成,这类调制器的驱动电压较高,且在接入通信系统时会引入较大的插入损耗,前者造成系统的功耗高产热大,后者限制了系统的中继距离。新型材料石墨烯的出现弥补了传统调制材料的不足,石墨烯与光纤相结合的调制器具有以下优点,如(1)石墨烯的零带隙结构及超快的弛豫时间能够提高调制器的工作带宽与调制速率;(2)光纤尺寸小、传输损耗低的特点有利于系统集成和减小损耗。针对上述问题及石墨烯光纤调制器的优势,综合所承担的国家重点研发计划课题,本论文围绕基于石墨烯的微结构光纤调制器开展了一系列的理论仿真及实验测试。主要工作内容如下: 1.介绍了基于石墨烯的光纤调制器的研究背景、意义及现状,归纳了近些年来有代表性的石墨烯光调制器的性能。研究了锥形微结构光纤的传输机理与石墨烯的相关特性。仿真分析了锥形微结构光纤、石墨烯及石墨烯锥形微结构光纤复合波导的相关特性。探索出了低损耗锥形微结构光纤的制备工艺,通过实验制备了低损耗的复合波导。 2.设计了一种基于石墨烯的低损耗锥形微结构光纤调制器系统,该系统为两级调制系统,内调制系统采用直接调制,外调制系统采用全光调制。实验测试了调制器的调制速率、调制电压、插入损耗和工作带宽,研究了调制器的偏振相关特性与波长依赖特性。实验结果表明该调制器有着较高的工作带宽(≥35nm),并经测试,该调制器具有较低的调制电压(1V)和极小的插入损耗(<0.8d B),且调制器系统具有偏振不敏感与波长不依赖的特性。 3.实验验证了光与石墨烯的相互作用对调制性能的影响。制备了锥区长度分别为1.1mm、3.6mm、11mm、15.3mm的锥形光纤,通过设置拉锥机的参数使锥区长度与锥区半径成反比。实验结果表明,在一定条件下,增加石墨烯与光纤锥区倏逝场的相互作用能实现更快的全光调制速率,但同时也会带来较大的损耗。当锥区长度为15.3mm时,该调制器在0.18d B/mm的极低损耗量级与1V的低调制电压下可以达到2k Hz的调制速率,同时还具有较宽的工作范围(≥35nm)和偏振不敏感与波长不依赖的特性。此外,该调制器能够在光纤跳线上直接制作,无需引入额外的熔接点,能够更加方便的接入到光纤链路中,避免了熔接点所带来的额外损耗,结合器件尺寸小等优点有利于系统集成。

关键词： 钠离子电池   负极材料   ZIF-67   石墨烯   电子电导率  

摘要： 在储能领域中,锂离子电池具有优异的能量密度和循环寿命,广泛地运用于日常的生产生活中。但是,锂元素在地壳中储量不足且价格昂贵的问题,限制了锂离子电池在大规模储能领域的应用。钠元素因其低廉的成本和丰富的储量,使得钠离子电池备受关注,且与锂离子电池的工作机理相似,是很有潜力的储能替代技术。但是,钠的离子半径比锂大,相对原子质量也比锂大很多,这就造成Na+扩散缓慢和动力学性能较差。故研究适合钠离子电池的高性能电极材料是促进其大规模应用的重要途径。负极材料的选择和设计是钠离子电池当前阶段发展的核心需求之一,对整体储能具有决定性的作用。结合钠离子电池负极材料的调控手段,发现具有丰富表面积且杂原子掺杂的材料是理想的负极材料,而ZIF-67具有以上特点,是合适的候选原材料。但是,ZIF-67材料直接应用于电池储能领域时,存在导电性不高和表面有效活性位点贫乏的缺点。本文针对以上问题,结合ZIF材料进行炭化参数调控和复合石墨烯材料,制备开发电化学性能良好的钠离子电池负极材料,具体内容如下:（1）基于ZIF-67对热解参数的敏感性,调控炭化参数以观察ZIF衍生材料的微观结构和表面成分的变化及对Na+储存的影响。在600℃下仅需10 min的快速炭化制备了ZIF-67衍生的氮掺杂炭材料（Co/NC）。所研究的Co/NC材料均能保持ZIF-67的十二面菱形骨架结构和大的比表面积(～200 m2 g-1),在微观结构上表现为由核壳Co@graphite纳米颗粒装饰的无定形炭骨架;含有N和O的官能团和具有钠储存活性的缺陷得以最大限度地保持,Co/NC-10中N元素的含量是19.9 at%,羧基和羰基的含量是7.3 at%,AD/AG是1.84。（2）在快速炭化过程中,钴金属的催化石墨化效果改善了电子导电性,促进了材料的钠存储位点和电子导电性的平衡,提供了优异的钠存储性能。活性位点和电子电导率的协同效应,使得Co/NC-10材料在100次循环后保持318 m A h g-1(0.05 A g-1)的放电比容量,在1000次循环后仍有191 m A h g-1(1.0 A g-1)的比容量。（3）单分散的ZIF衍生材料彼此之间没有形成连续完整的导电网络,存在容量无法完全释放的问题。引入稳定的立体导电网络来连接ZIF衍生材料,有利于进一步释放容量,提升性能。在ZIF材料合成过程中引入氧化石墨烯（GO）,GO上丰富的官能团首先与金属离子配位,加入配体后ZIF纳米晶体原位成核和生长。GO与ZIF衍生材料紧密连接在一起形成整体结构,既维持了ZIF衍生材料的十二面体的结构完整性,又有较大的比表面积(～190 m2 g-1),羰基的含量是15.8 at%。（4）引入GO后的复合材料在电化学反应期间有足够的电子供应,并且提供结构支撑,负极表面对Na+的吸附能力及反应动力学提高,进而促进快速储钠。Co-NC/GO展现出良好的倍率性能,在电流密度为0.05 A g-1时可逆容量可达到371.4 m A h g-1,循环50圈后仍能保持361.1 m A h g-1的容量,展现出了良好的循环稳定性。值得注意的是,在2.0 A g-1的电流密度下循环1000圈后仍能保持178.9 m A h g-1的放电比容量,提高了ZIF衍生材料在大电流下的快速储钠能力。

关键词： 超连续谱   石墨烯   混合波导   调Q   锁模   神经网络  

摘要： 光学频率梳在光谱学、光通信以及量子光学等领域展现出了独特的应用价值。作为一种光学频率梳的产生方案,超连续谱在光谱分辨率、光谱覆盖范围以及工作稳定性方面独具优势。由于传统光学频率梳的功耗高、尺寸大且造价高,实现低功耗、小尺寸和低成本的集成化超连续谱光源成为研究热点。得益于成熟的制备工艺以及硅材料高的光学非线性,硅基波导正成为实现集成化超连续谱光源的理想平台。要实现全集成的片上超连续谱光源,首要的任务是实现集成片上超短脉冲光源,如何实现高性能片上可饱和吸收体对超短脉冲光源至关重要。此外,硅基波导的超连续谱产生的光谱范围受到泵浦脉冲与波导参数等多个因素的影响,广泛应用非线性薛定谔方程进行模拟往往效率偏低,需要寻求新的模拟手段提升模拟效率。 本论文主要针对硅基片上可饱和吸收体的实现方案与硅波导超连续谱光源的高效设计方案展开研究,主要内容与创新点如下: (1)实现了基于石墨烯-二氧化硅混合波导的调Q脉冲激光器。采用湿法转移技术,将石墨烯转移到二氧化硅悬臂梁波导上,制备了二氧化硅混合波导器件。对于使用单层石墨烯-二氧化硅混合波导的激光器,输出调Q脉冲最短脉宽为1.57μs,最大单脉冲能量为56.5 n J。在单层石墨烯-二氧化硅混合波导表面覆盖聚甲基丙烯酸甲酯层以增大石墨烯与光场间的相互作用强度,上述器件将激光器产生调Q脉冲的泵浦功率阈值降低了2.5倍,利用该器件实现了脉宽为1.21μs的调Q脉冲输出。此外,随着泵浦功率增加,观察到调Q锁模现象。 (2)实现了基于石墨烯-硅混合波导的锁模脉冲激光器。结合湿法转移技术与光刻工艺,制备了石墨烯-硅混合波导器件。相较于石墨烯-光纤器件而言,石墨烯-硅混合波导具有更高的调制深度(10.5%),饱和能量阈值(0.646 p J)也低了两个量级。动态测试结果表明器件的载流子动态响应时间为1.82 ps,相较于纯硅波导提升了三个量级。基于石墨烯-硅混合波导器件,搭建了两台不同参数的激光器实现了锁模脉冲输出。在净色散量为负的激光腔中,实现了脉宽为1.18 ps,重复频率为12.5 MHz的传统孤子锁模脉冲输出。通过不断提升泵浦功率,可以实现最高阶次到63的谐波锁模脉冲的输出。在净色散量近零的激光腔中,实现了脉宽为423 fs,重复频率为28.7 MHz的色散管理孤子脉冲的输出。 (3)提出了片上超连续谱光源的高效设计方案。建立了一个用于硅波导超连续谱产生设计的全连接神经网络模型,使用该模型生成单个波导的超连续光谱仅需9.6ms,并且可以准确预测超短脉冲在各个色散区间泵浦的光谱演化过程。搭建了超连续谱测试平台,得到的实验结果与模型生成结果吻合。

关键词： ABC堆垛三层石墨烯   ABC堆垛少层石墨烯/氮化硼异质结   准粒子干涉   平带   扫描隧道显微镜   扫描隧道谱  

摘要： 近年来,ABC堆垛石墨烯被证明是一种有趣的量子材料体系,该体系具有的低能平带电子结构可以诱导产生许多新奇的电子强关联现象,从而引起了极大的关注。然而,该体系的微观性质理解非常不足,尤其是其微观谱学性质。基于此,本文利用超高真空低温扫描隧道显微镜(STM)和隧道谱(STS)技术,研究ABC堆垛少层石墨烯局域的微观谱学性质。借助STM/STS原子级分辨、操控以及电子态实空间探测能力,主要对以高定向热解石墨(HOPG)为衬底的ABC堆垛三层石墨烯和以氮化硼为衬底的ABC堆垛少层石墨烯进行研究。得到的主要结果如下: (1)本文首次在以HOPG为衬底的ABC堆垛三层石墨烯的表面观测到了准粒子干涉诱导的局域态密度空间驻波,即费里德尔(Friedel)振荡。实验结果表明,ABC堆垛三层石墨烯的长程驻波模式不仅可以通过常见的缺陷和台阶边缘等常见势垒的散射产生,还可以通过ABC-ABA堆垛畴壁孤子产生。其中发现,对于台阶边缘的散射体,无论是表面台阶边缘还是底层台阶边缘都能有效地在表层产生准粒子驻波。通过拟合分析还发现,在ABC堆垛三层石墨烯中观测到的所有类型的散射体,Friedel振荡总是表现为1/r的空间衰减,其中r表示距离散射体中心的距离。这种Friedel振荡的1/r衰减速率与双层石墨烯的衰减速率一致,而比单层石墨烯的衰减速率慢。该实验结果为ABC堆垛三层石墨烯散射体的性质提供了基础认识,并有助于更好地理解其微观散射机制。 (2)由于以HOPG为衬底的ABC堆垛石墨烯存在层数、尺寸等不可控因素,因此本文进一步将研究对象转移到了ABC堆垛少层石墨烯/氮化硼异质结样品中。利用二维材料的转移堆垛技术,成功制备了3-9层的ABC堆垛石墨烯/氮化硼异质结构。通过微观形貌表征,发现制备的异质结表面平整、干净,质量高。另外,STM还探测到了少层ABC堆垛石墨烯与氮化硼以一定转角形成莫尔条纹结构,由于转角角度较大,因此可将探测区域看成纯ABC结构。利用STS技术探测到了3-9层ABC堆垛石墨烯的平带特征谱,得到了与HOPG衬底上的ABC堆垛石墨烯可比拟的平带峰宽。通过分析平带峰的半高峰宽,发现电荷在样品表面分布较均匀,进一步说明样品质量高,同时也直接证实了ABC堆垛少层石墨烯平带结构的存在。借助样品的高质量,除了探测到平带峰,还能探测到高能带次峰。统计发现高能带次峰的能量位置与层数有依赖关系,与理论计算一致。通过理论计算拟合得到了3-9层中的层间最近邻耦合参数值,为ABC堆垛少层石墨烯的研究提供了重要的参数。

关键词： 废旧手机电路板   机械预处理   酸浸   电沉积   铜   石墨烯   复合材料  

摘要： 随着科技的蓬勃发展,手机的更新频率越来越迅速,由此导致废旧手机的大量剧增。废旧手机电路板中的金属品位远远超过自然矿物资源中的金属品位,回收再利用价值极高;而电路板中的非金属资源可用于再生复合材料的应用,可作为塑料及建筑材料的增强体,同样具有较高的利用价值。电路板中的金属资源较为丰富,尤其以单质铜含量最高,这类资源的遗弃无疑是巨大的浪费,对其回收再利用对环境保护和资源的循环利用有着重要意义。本论文以废旧手机电路板为实验原料,对废旧手机电路板进行了“机械预处理--H2SO4+H2O2体系酸浸浸出--电沉积法回收纯铜/制备复合材料”的工艺研究路线。通过本研究可以提供一种对废旧电路板绿色回收的新方法。本论文首先采用机械物理法对废旧手机电路板基板进行预处理破碎和筛分,采用XRF考察了粒径为-0.074 mm和0.074-0.45 mm粉末颗粒的成分。结果表明:-0.074 mm粒径的粉末颗粒中金属品位较低,而非金属含量占比相对较高;而0.074-0.45 mm粉末颗粒中金属品位较高,其中金属Cu含量最高。因此,本文采用H2SO4+H2O2体系对0.074-0.45 mm粉末进行酸浸工艺研究,考察了硫酸浓度、浸出时间和过氧化氢含量等因素对电路板粉末中Cu的浸出效果,并确定了各因素下最佳浸出参数。从废旧手机电路板粉末中金属铜浸出效果角度来看,得出最佳浸出硫酸浓度为6 M,Cu浸出率为92.85%;最佳浸出时间为3 h,Cu浸出率为91.2%;最佳过氧化氢含量为50 ml,Cu浸出率为98.0%。在最佳单因素参数下,通过平行实验得出金属Cu的平均浸出率高达98.91%,这种浸出体系无需添加其他任何添加剂,在一定程度上降低了生产成本。以最佳浸出条件下废旧手机电路板粉末的浸出液作为电解液,本论文进行了从废旧手机电路板粉末酸浸液中铜的电沉积工艺研究。考察了电流密度、硫酸浓度和沉积温度等单因素实验对电沉积回收纯铜的研究,得出结论:铜的回收率随电流密度的增大而增大,在60 m A/cm2时回收率为98.18%;铜的回收率随着硫酸浓度的增加而增加,在6 M硫酸浓度下铜的回收率为98.94%;铜的回收率随温度的升高先增加后降低,在50℃时铜的回收率为99.3%。阴极产物铜粉的纯度基本在97%以上,杂质较少。综合最佳单因素60 m A/cm2、6 M和50℃下电沉积纯铜得出回收率为98.41%,铜粉纯度为98.26%。通过SEM分析得出电沉积回收的铜粉形貌为树枝状,在不同因素下,铜粉形貌表现出枝间致密或疏松,并且疏松状铜粉形貌的枝丫较为细小。在电沉积法回收废旧电路板中金属铜的同时加入金属基理想增强材料石墨烯,通过与最佳浸出条件下废旧手机电路板粉末的浸出液进行超声处理,使石墨烯均匀分散在浸出液中。通过电沉积工艺,获得了石墨烯/铜复合粉体,采用SEM、Raman、XPS表征方法验证了直流电沉积法可实现石墨烯与金属铜的结合。考察了石墨烯含量和电流密度影响因素对复合粉体的影响。结果表明:在电流密度不变的条件下,石墨烯在电解液中提供了晶体成核位点,使得石墨烯与铜粉的结合更易。另外,石墨烯含量的增加会导致阴极产物中铜粉的晶粒变得细小,同时使得复合材料中石墨烯含量有所增加;当石墨烯含量不变时,在不同电流密度下制备的石墨烯/铜复合材料同样验证了石墨烯与铜的结合,随着电流密度的增加,复合材料中铜粉晶粒呈现出疏松的树枝状。电沉积工艺既可实现废旧电路板中金属铜的回收、同时又可以制备石墨烯/铜复合材料,经冷压烧结成型的复合材料有利于压延加工,可制备出性能较好的材料。这种增值化合物的回收,更是为电化学回收指明了一条崭新的道路。

关键词： 受电弓滑板   碳纤维   氧化石墨烯   界面   自组装  

摘要： 受电弓/接触网系统是高速列车获取能量的唯一途径,受电弓滑板是受电弓与接触网直接接触的界面。碳纤维增强材料由于具有高比强度和自润滑等优异性能,在受电弓滑板领域被广泛应用。但随着电气化铁路向高速、重载方向的不断发展,弓网振动加剧和滑板异常磨耗,甚至出现滑板掉块、断裂等现象,严重影响列车的稳定运行。因此,亟须研制一种高机械强度、高电导率、高热导率和耐摩擦的新型受电弓滑板。 碳基复合材料的性能主要取决于其内部多相界面性能,界面结合强度的提升是碳基复合材料性能提升的决定性因素。然而,由于纤维与基体的界面性能较差,目前碳纤维增强受电弓滑板仍存在以下问题。首先,纤维与基体的热收缩率不匹配,会导致界面处产生裂纹。其次,纤维与基体材料属性不匹配,界面处存在结构突变。最后,现有纤维表面改性手段不可控,会严重损伤纤维机械性能受损。因此,本研究提出了一种利用等离子体碳纤维/氧化石墨烯进行静电自组装来构建新型增强相的方法。氨气等离子体处理使得纤维表面嫁接氨基官能团,制备的氧化石墨烯表面含有羧基官能团,两者在溶液中水解带有相反电荷,发生静电自组装现象,使得氧化石墨烯均匀包覆在纤维表面,形成碳纤维@氧化石墨烯的新型增强相。其与沥青具有良好的润湿性和机械性能,其接触角和抗拉强度分别为未处理碳纤维的45.3%和129.18%。 针对碳纤维@氧化石墨烯对碳基复合材料界面性能的影响,本研究对纤维/基体界面的微观结构开展了研究。利用原子力显微镜发现碳纤维@氧化石墨烯在界面处构建了刚度模量介于纤维和基体之间的梯度界面,梯度界面具有高效均匀的载荷传递能力。此外,还发现碳纤维@氧化石墨烯可以降低碳基复合材料的界面处的孔隙率和孔径分布大小,构筑了结构致密的界面相。为了评估碳纤维@氧化石墨烯对受电弓滑板综合性能的影响,本研究测量了其在力载荷、电热载荷以及载流摩擦工况下的动态服役性能,并解析自组装体对其服役性能的增强机理。得益于优良的界面性能,新型受电弓滑板的抗压强度和抗折强度分别是未处理碳纤维增强受电弓滑板的2.42倍和2.25倍。新型受电弓滑板具有较低的电阻率和较高的导热率,使得其在电流负载下保持较低的工作温度。同时,其较低的摩擦系数和磨损率也有利于其长寿命运行。本项研究为研制新一代具有更强机械性能、更低电阻率、更高热导率和更优摩擦性能的受电弓滑板提供了新的方法和理论指导。

关键词： 导热复合材料   石墨烯   碳纤维   垂直取向结构   三维导热网络  

摘要： 随着电子元器件朝着微型化与集成化方向发展,在提高了电子产品运行速度和便携程度的同时,也引发了新困扰:微型的电子器件在运行过程中往往会产生大量的热量,如果不能即时将器件内部的热量向外扩散,势必会对元器件的稳定性产生负面影响。因此,提高电子封装材料的导热能力尤其是面外方向上的导热性能,成为了目前亟需解决的难题。相较于金属和陶瓷材料,聚合物材料因其良好的可加工性、轻质、低成本、耐化学腐蚀性和优异的机械性能,当前已成为电子封装材料的首选基底。为了提高聚合物材料的导热性能,引入高导热填料是行之有效的策略,但要获得较好的提升效果,需要添加大量的导热填料,这样就会影响复合材料的经济成本、工艺可拓展性及产品性能。因此,在低负载情况下实现高热导率成为近年来研究的热点,本课题从导热填料的垂直取向和网络构筑出发,以石墨烯和碳纤维为填料,制备了填料垂直取向的环氧树脂复合材料。主要研究内容和结论包括: (1)本文首先以石墨烯微片(GNP)为原料,通过溶剂热法在GNP上原位生长四氧化三铁(Fe3O4)亚微米级粒子,得到石墨烯-四氧化三铁杂化物。将上述杂化物作为填料与环氧树脂(EP)混合后,在磁场条件下高温固化制备了 GNP@Fe3O4垂直取向的GNP@Fe3O4/EP复合材料。其中,当填料含量为25wt%时,GNP@Fe3O4/EP的热导率可达 0.633 W/(m·K),为纯 EP 的 375%。 (2)在GNP@Fe3O4掺杂EP的基础上,采用定向冷冻的冰模板法制备了垂直取向的三维碳纤维骨架(3D CFs),分别采用EP和GNP@Fe3O4/EP混合物对3D CFs进行真空浇灌,获得了系列3D CFs/EP复合材料和3D CFs/GNP@Fe3O4/EP复合材料。测试结果表明,3D CFs/EP的热导率随着CF含量的增加而增加,当悬浮液中CF浓度达到 40wt%时,3D CFs/EP 热导率为纯 EP 的 726%,3D CFs/GNP@Fe3O4/EP 复合材料的热导率最高达到纯EP的612%。 (3)使用聚多巴胺(PDA)对CF进行了表面处理,利用PDA层的粘附性和金属络合能力,采取原位还原法引入银单质,得到了 CF-PDA-Ag纤维,并通过定向冷冻的冰模板法制备了三维镀银碳纤维骨架(3D CF-PDA-Ag),其导热网络垂直取向性和均匀性明显优于未改性的3D CFs。分别采用EP和GNP@Fe3O4/EP混合物对多孔骨架真空灌注制备了 3D CF-PDA-Ag/EP 和 3D CF-PDA-Ag/GNP@Fe3O4/EP 复合材料,其热导率最高达到2.44 W/(m·K),是相同条件下3D CFs/GNP@Fe3O4/EP的235%。 综上,通过填料的垂直取向和三维导热网络的构筑,本论文制备的复合材料导热性能得到显著优化,为导热复合材料的结构设计和制备工艺优化提供了新的思路。

关键词： 离子型电活性聚合物   纤维素纳米纤维   石墨烯   驱动特性   感知特性  

摘要： 传统机器人由刚性构件组成,其缺点是重量大、适应性差、噪音高。相比之下,软体机器人模仿生物的运动方式,利用智能材料的变形、弯曲和膨胀收缩来控制机器人运动,具有质量轻、柔韧性高、适应性强的特点。在软体机器人技术中,驱动器的研究是至关重要的。目前,离子型电活性聚合物作为一种柔性驱动器,由于其驱动电压小、效率高、应变大等优点,受到了广泛关注。离子型电活性聚合物是一种能够在外加电场作用下产生形变或者在外加力作用下产生电信号的材料,具有传感器和驱动器的双重功能,在仿生学、微纳米技术和软体机器人等领域的应用前景十分广阔。本文基于功能化的纤维素纳米纤维和离子液体制备了一种新型的离子型电活性聚合物,并探究了其驱动与感知特性及应用。具体内容如下:首先,使用高导电性的聚合物PEDOT:PSS作为驱动器的电极,解决了传统IPMC不能长时间工作在空气中且电极易脱落的问题;向纤维素纳米纤维离子交换膜中掺杂石墨烯,提升了膜内离子的迁移速度。通过扫描电镜、红外光谱、XRD等分析验证了材料的结构和性能。其次,探究纤维素纳米纤维驱动器的驱动机理,搭建了驱动特性的测试平台,研究了驱动器在不同电压、不同频率的驱动信号下的弯曲变化情况,并与以往研究者的驱动器进行了对比。结果表明,本文制备的驱动器具有较高的弯曲位移和响应时间。基于驱动特性,设计了仿生电子花、与电子屏幕进行交互的仿生手指、螺旋支架等应用。然后,探究纤维素纳米纤维驱动器的感知机理,并搭建了感知特性的测试平台,研究了纤维素纳米纤维驱动器的静态和动态感知特性,以及感知电压与驱动器弯曲变化的关系。基于感知特性,设计了一种微力传感器,并建立了其理论模型和实验模型。结果表明,微力传感器具有较高的灵敏度和线性度。最后,根据纤维素纳米纤维驱动器的驱动特性和感知特性,设计了一种驱动/感知一体化的手爪系统,用来夹持固定一些微小物体。该手爪能够感知施加力的大小自适应地调节其力度,实现精准而灵活地夹持固定物体。该手爪具有广泛的潜在应用场景,例如医疗、工业、农业等领域。

关键词： 太赫兹   石墨烯   双曲超材料   超分辨率透镜  

摘要： 太赫兹波是频率为0.1～10 THz的电磁波,因其具有光子能量低、穿透性强、光谱信息丰富等独特性质而在无损检测、质量控制、医疗诊断和国防安全等许多领域发挥了重要的作用。近年来,随着成像技术的应用范围不断拓展,人们对高分辨率图像的需求也更加迫切,太赫兹超分辨成像技术也因此备受研究人员关注。超材料的出现为太赫兹波调控及超分辨成像提供了一种有效的途径。其中,双曲超材料作为超材料的重要分支,具有独特的电磁波调控特性,可以有效传输携带亚衍射信息的倏逝波到达像平面并参与成像,因此有望实现突破衍射极限的超分辨成像。然而,目前基于双曲超材料的太赫兹超分辨成像方法存在着成像结构复杂、传输损耗较高以及性能单一等问题。为了提高成像的分辨率与灵活性,进一步拓展超分辨器件的应用场景,本论文基于石墨烯材料的灵活可调性,构造了具有不同几何结构的多层双曲超材料,并通过仿真分析了它们在太赫兹频段的超分辨成像性能,具体研究内容主要包括以下三个方面:(1)研究了石墨烯双曲超材料的传输和色散特性,包括石墨烯表面等离激元的传输损耗、石墨烯-电介质多层结构的透射率以及石墨烯双曲超材料的色散关系。对石墨烯双曲超材料传输及色散特性的分析可以为双曲超透镜结构中石墨烯化学势的调节范围提供参考。石墨烯的化学势被设定为满足双曲色散条件范围内的较小值时,理论上获得的超分辨成像性能会更好。(2)提出了基于石墨烯的圆柱型和平面型多层双曲超透镜结构,它们都是由10对交替的石墨烯与电介质构成的。在入射横磁波的波长为100μm时,两种结构都能清楚地分辨出间距10μm的双线物体,对应于λ/10的分辨率,而且圆柱结构还具有对亚衍射特征进行放大的机制。此外,这两种双曲超透镜的一个突出优势在于,通过外加电场等方式调节石墨烯的化学势而不需要改变其他参数,它们可以在3～5 THz的宽带范围内实现对双线物体的超分辨效果,对应于λ/10～λ/6的分辨率。在此基础上研究了影响石墨烯双曲超透镜超分辨性能的因素,包括弛豫时间、电介质层厚和石墨烯/电介质周期对数。为了结合圆柱结构和平面结构各自的优势,本文还构造了一种混合型石墨烯双曲超透镜,在易于定位成像目标的同时还可以实现对亚衍射特征的放大,具有更大的应用潜力。(3)研究了基于石墨烯双曲超材料的太赫兹成像应用,包括对光栅结构和微米级粒子的超分辨成像,以及可调凹/凸透镜的实现。对于光栅结构,通过调节石墨烯的化学势获得了相对均匀的～λ/12的光栅干涉分辨率。对于随机分布的微米级粒子,实现了大约5倍的分辨率提升,而且平面型双曲超透镜还可以清楚地分辨出衍射受限方法中无法区分的两个距离非常相近的粒子。此外,利用化学势的可调性,还可以使石墨烯双曲超材料结构实现发散或聚焦透镜的效果。由于许多突出的优点,包括宽频范围的超分辨能力、灵活可调性、较好的稳定性和鲁棒性以及成像放大率的可定制性,相信这项工作可以为太赫兹超分辨器件的设计与研发提供参考,同时对基于双曲超材料的太赫兹调制装置的发展起到一定的积极作用。