关键词： 微型超级电容器   石墨烯   碳材料   柔韧性  

摘要： 物联网是一个使用互联网将物理设备或“事物”相互连接形成“万物互联”网络的新兴概念。越来越多的小型电子设备将我们的生活变得更为多彩丰富,智能门锁、烟雾探测器、空气污染监测仪、智能健康监测装置、血糖监测仪等小型甚至微型可穿戴智能设备在通过物联网实现便捷的连接互通时,实现了人与电子科技的便捷融合。以应对小巧便捷型电子设备的需求,为其供能的微型柔性能源设备的发展则是根基。然而,既要满足能量的存储与转化的能源性能要求,又要满足微型、柔性、可穿戴、可集成、可植入的尺寸或材料特性,柔性微型储能器件的研发显得尤为重要。因为微型超级电容器具有超高的功率密度、稳定持久的循环寿命、安全、稳健、绿色环保等多种优势,所以被业界寄予厚望,期待微型超级电容器有朝一日可以替代微型电池成为微型电子设备的主流能源设备。但是,微型超级电容器一直面临着能量密度不够的窘态,这大大限制了它的实际应用。在本论文中,主要将聚焦于如何解决微型超级电容器能量密度的限制,针对设计以碳材料为基础材料的微型超级电容器电极,从储能机理出发,优化电极结构,调整电极材料,调控电极中EDLC双电层储能机理与赝电容机理的最优复合。从机理设计到实验验证以获得高能量密度的微型超级电容器器件。具体研究内容如下:（1）利用有机磷农药大分子改性的细菌纤维素生物质纤维（直径为20-100纳米的超细纳米纤维网络）构建高度互联高比表面积的三维碳纳米纤维网络作为导电骨架用来复合Co3O4纳米颗粒赝电容材料,所得CNFs/Co3O4作为微型超级电容器的正极材料。在对细菌纤维素纳米纤维的改性过程中,有机大分子将致密的纳米纤维膜网络撑开,使得纳米纤维网络的比表面积大幅增加。同时,还引入了更多的官能团,这些官能团在纳米纤维为表面提供了更多的活性位点,在后续吸附Co2+的过程中,给予Co2+更多的落脚点,使得最终得到的CNFs/Co3O4复合材料具有纳米纤维与Co3O4赝电容颗粒均匀、一致的复合结构。此外,三维CNFs网络还作为Co3O4纳米颗粒的高速导电骨架,不仅为电子传输提供了高效稳定的通道,还能有效缓冲Co3O4在充放电过程中体积变化导致的容量衰减。所得CNFs/Co3O4复合材料在三电极体系中具有785 F g-1的高比电容。组装的CNFs/Co3O4//AC非对称微型超级电容器在0.5 m A cm-2的电流密度下具有607.5 m F cm-2的极高面积比电容,同时还具有最高0.418 m W cm-2的功率密度以及0.216m Wh cm-2的高能量密度。（2）使用改进后的Hummer方法化学剥离石墨制备氧化石墨烯,再通过水热还原和冷冻干燥获得三维纳米片互联海绵结构的还原氧化石墨烯气凝胶。通过类活塞装置将r GO气凝胶压成高负载的石墨烯纸,再利用高效便捷的激光雕刻法制备成平面叉指结构的微型超级电容器器件。所得到的海绵石墨烯气凝胶片在拉曼光谱、傅里叶红外光谱、氮气吸附解吸附等测试分析中均揭示了氧化石墨烯已被高度还原,且具有有利于电化学双层的分级孔隙分布。所制得的微电容器件,在0.5 m A cm-2的电流密度下,获得了高达569.5 m F cm-2的超高面积比电容,这在石墨烯基微电容领域中是非常出色的成绩。同时,在20 m A cm-2的电流密度下,经过20000次循环充放电,仍然拥有高达98.8%的电容保持率。并且还具有出色的机械性能,独立的自支撑结构可以在0到180°的弯曲角度折叠测试后,保持电容几乎没有衰减。保持每次弯折角度约为90°,循环次数2000次后,也依然保持98.4%的高电容特性。（3）氧化石墨烯在激光还原的过程中会发生剧烈的脱氧反应（“爆燃”反应）,这将导致石墨烯破裂迸飞。论文提出了一种新型的预还原策略,在激光还原前使得氧化石墨烯材料中具有一个预制r GO骨架,针对性地化解了激光还原过程中剧烈脱氧反应。预还原过程所得的自组装r GO骨架结构,给予GO材料一个规则均匀的预先内部架构,在激光还原时,因为有这个预框架,GO纳米片即使被激光还原,发生强烈的脱氧反应,也会被限制在预骨架的范围内,这不仅有效避免了激光还原时的“爆燃”反应,还使得激光还原得到的r GO材料具有更均匀、均一、高度规则的多孔结构。与激光还原前的PGO相比,Lr PGO的膨胀率超过70倍,实现了r GO的高度负载。更重要的是,直接采用激光雕刻技术制备的准固态Lr PGO-MSC,可以提供88.32 m F cm-2的高面电容,以及12.26μWh cm-2的高面能量密度。除此之外,Lr PGO基的MSC具有出色的柔韧性,可确保在5000次弯曲测试后性能稳定。（4）为了进一步提升微型超级电容器存储容量,论文在储能系统中引入快速可逆的电解液阴离子氧化还原对。论文选择溴（Br-/Br0）的氧化还原对作为微型储能器件容量来源,因为相对

关键词： 过渡金属硫化物   异质结   卤族元素掺杂   第一性原理计算  

摘要： 自石墨烯问世以来,打开其带隙一直是半导体领域的研究热点。过渡金属硫化物和石墨烯具有类似的结构,且带隙可调控。本文拟将石墨烯与层状过渡金属硫化物进行复合,形成异质结结构,以期兼具二维过渡金属硫化物的能带结构以及石墨烯优异的电子输运特性,设计出带隙、载流子浓度可调控的二维半导体材料。近年来,由于实验周期长,合成困难等缺点,材料设计被广泛应用于设计新型材料及相关性质计算。本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算系统探索了卤族元素(F、Cl、Br和I)掺杂的过渡金属硫化物及过渡金属硫化物/石墨烯异质结的影响,包括能量变化及电子性质;石墨烯/过渡金属硫化物异质结的结构稳定性及电子性质;卤族元素掺杂石墨烯/过渡金属硫化物异质结的结构稳定性及电子性质。本文构建了单层Mo S、WS和Ta S模型,并进行收敛性测试和几何优化,然后通过替换原子的方式在优化好的单层Mo S、WS和Ta S模型的表面掺杂卤族元素。对掺杂体系的热力学形成能、电子结构等进行了计算,结果表明,掺杂F、Cl、Br、I四种原子的异质结的缺陷形成能逐渐增加;在单层过渡金属硫化物表面掺杂卤族元素,能带提高其导电能力。将单层的过渡金属硫化物与石墨烯通过不同的匹配方式构造9种范德华异质结模型,计算了界面形成能随异质结层间距的变化规律,所有模型的界面形成能随着层间距的增加均表现出先减小后增加的趋势,在层间距为3.4～3.6?附近具有能量最小值、结构最稳定。对相对稳定的三种异质结模型计算了电子结构,发现石墨烯/Mo S和石墨烯/WS分别存在1 me V和2 me V带隙,说明石墨烯的带隙可以通过与过渡金属硫化物结合构成异质结被调控的。最后,将F、Cl、Br、I四种卤族元素掺杂到相对最稳定的三种结构相对稳定的异质结中的过渡金属硫化物层的S原子位置,结果表明,Mo S和WS在异质结上掺杂F、Cl、Br、I原子的形成能是逐渐降低的,掺杂I原子所需的做的功最低。而Ta S异质结相反,掺杂F、Cl、Br、I原子的形成能逐渐增加,其中F原子掺杂最容易实现,I原子掺杂较难实现。此外,掺杂体系引入了掺杂能级,对于三种异质结体系产生了明显的影响,从而呈现出无带隙的特性,相较于与未掺杂的异质结,载流子浓度增加。

关键词： 氧化石墨烯   微纳光纤   湿度传感器   倏逝波  

摘要： 研制基于直径8μm的微纳光纤表面包裹一层氧化石墨烯薄膜制成的湿度传感器。对不同的氧化石墨烯薄膜厚度下的折射率和湿度传感器进行仿真模拟。实验研究了滴涂不同滴数的氧化石墨烯水溶液制成的微纳光纤湿度传感器。研究显示，传感器对温度和湿度感应有不同的特点，在相对湿度20%～80%范围内具有良好的线性响应，氧化石墨烯薄膜较厚的传感器因厚度适中而表现出较为稳定的性质，对湿度变化的响应速度最优为30s。该仪器具有结构简单、制作成本低廉等优势，为环境湿度检测提供新的思路和方向。

关键词： 二氧化钒   石墨烯   可切换   相位调制  

摘要： 在通信系统中,相位调制器件是一种非常重要的功能器件,有着至关重要的作用。本文以相位动态调制的应用需求为出发点,依靠对可调材料石墨烯、二氧化钒的应用,研究出三种能够实现相位调制、可在通信系统中适用的器件结构,并利用三维电磁仿真软件分析了所设计调相结构的工作原理和功能特性。主要内容如下: 1.结合人工微阵列结构的使用,在可调材料二氧化钒的基础上,实现了一种透射型太赫兹相位调制结构的设计。通过调控二氧化钒电导率的方式,能够在0.25 THz的带宽范围内,不需要依靠结构几何参数发生任何变化就能够实现超120°的动态相位调控,其最大相移量能够达到130°,且在相位调控的过程中,该结构的带宽几乎不变。 2.基于可调材料二氧化钒,设计了一种透射型、反射型可切换的太赫兹相位调制结构。通过控制底层二氧化钒的电导率,该结构可实现透射型相位调制结构和反射型相位调制结构可切换的方式。当底层二氧化钒的电导率为100 S/m时,结构为透射型相位调制结构,最大可以实现140°的动态相位调控;当底层二氧化钒电导率为200000 S/m时,结构为反射型相位调制结构,可以实现超过350°的相移量。 3.基于二维材料石墨烯,同时引入不同数量的银纳米带,进行了近红外相位调制结构设计与研究。仿真表明:石墨烯与银纳米带相结合,相位调制结构拥有非常高的调制效率、较低的能耗和较宽的带宽。除此之外,还可以发现随着使用银纳米带数量的增加,调制效率和能耗均得到了进一步的优化。相位调制结构的能耗从272.94 fJ/bit减小到238.82 fJ/bit,相位调制结构的效率VπLπ从114.5 Vμm减小到106.8 Vμm;此外,带宽最高可以达到219.4 GHz,相较于优化带宽前的97.5 GHz有了较大的提升。 通过本文的研究,对提出的三种相位调制结构的原理与功能进行了理论探讨,可以为相位调制器件的设计提供一些新思路。

关键词： 石墨烯纳米表面   DNA碱基   电化学传感   电子回旋共振   钛-氧键合  

摘要： 脱氧核糖核酸（DNA）是构成生物体遗传信息和生物特征的基本单元,在生物系统的整体功能中起着至关重要的作用,因而,DNA碱基的高分辨检测对于生物体医学诊断和健康检测具有重要意义。电化学传感器由于具有成本低、响应快、选择性好和易于微型化等优点,被广泛应用于各种生物分子的检测。然而,由于嘌呤和嘧啶化合物往往会吸附在电极表面上,并且氧化嘧啶碱基需要较高的能量,因而对DNA碱基的电化学高分辨检测仍然面临巨大的挑战。石墨烯因其独特的结构特征,在电子传递速率提高上具有卓越的表现,是应用于电化学传感电极上最重要的纳米结构。金属氧化物作为催化基团是提高传感性能的关键因素。因而,石墨烯及金属氧化物的复合结构,具有实现DNA碱基同时高分辨检测的巨大潜力。为此,本论文利用电子回旋共振纳米表面加工系统结合金属靶材制造了一种钛-氧键合石墨烯纳米表面,通过探索纳米表面钛-氧键合结构及其诱导下的传感性能,实现DNA碱基的高分辨传感。具体研究内容如下: 利用电子回旋照射纳米表面加工系统,采用低能电子照射技术增设多腔室靶材,添加氧气掺杂和金属钛原子掺杂,通过调控电子能量,氧气掺杂的比例及金属靶材电流,阐明了钛-氧键合石墨烯纳米表面的制造规律,实现了石墨烯纳米表面以及钛-氧键合石墨烯纳米表面的可控制造。 基于石墨烯纳米表面的钛-氧键合结构,利用透射电子显微镜、拉曼光谱等表征方法阐明掺杂钛、氧原子促进石墨烯纳米表面形成钛-氧键合结构;将石墨烯纳米表面及钛-氧键合石墨烯纳米表面作为电极进行电化学性能检测,对Fe3+/2+和Fe（CN）64-/3-这两种典型的电化学探针来说,钛-氧键合石墨烯纳米表面电极的氧化还原峰间距大幅降低,表现出更好的电化学活性,阐明了钛-氧键合结构对石墨烯纳米表面电子传递的促进作用。利用钛-氧键合石墨烯纳米表面电极可以实现对腺嘌呤和鸟嘌呤的同时检测,其线性检测范围均为5～50μM,检测限分别为1.09μM和0.76μM（S/N=3）。 通过调控氧比例、钛靶材电流及沉积时间,制造一系列掺杂参数变化的钛-氧键合石墨烯纳米表面,对所有参数的纳米表面通过X射线电子显微镜、拉曼光谱等表征方法分析其结构,并探索钛-氧键合结构在石墨烯纳米表面的形成规律及单层纳米表面和双层纳米表面的结构区别。利用电化学循环伏安法和交流阻抗谱法检测其电化学活性,发现当钛掺杂量为100 m A,氧掺杂量为10%时的钛-氧键合石墨烯纳米表面最有利于电子传递,将该电极应用于胸腺嘧啶和胞嘧啶的同时检测,其线性检测范围均为10～2000μM,检测限分别为2.50μM和3.39μM（S/N=3）。同时,钛-氧键合石墨烯纳米表面电极展现出良好的抗干扰性和选择性。 本论文中一步式制造了钛-氧键合石墨烯纳米表面电极,掌握了该电极的可控制造方法,并阐明了结构调控下的电化学活性增强机理以及利用该电极实现了DNA四个碱基的检测,为碳基材料应用于高分辨生物传感提供了一种新思路。

关键词： 光栅   半峰全宽   石墨烯   等离子体   亚波长结构  

摘要： 光栅是一种光学器件,可以使入射光的振幅或相位受到周期性空间调制,被广泛应用于集成光学、传感器、滤波器等领域。现如今,智能化、复杂化的应用系统对基于微纳光栅的光学器件的功能和性能指标提出了更高的要求,因此,本论文围绕微纳器件品质因数低、不可调谐等现象,针对性地采用插入介质光栅、将石墨烯材料应用到器件中等设计方法,对不同结构和功能的新型光学器件进行了研究。主要进行了以下工作:（1）提出了一种光栅辅助的超窄带多光谱等离子体共振传感器结构。针对现有等离子体共振传感器半峰全宽大,品质因数低的问题,通过引入介质光栅改善纯金属光栅结构的性能指标。本设计对所提出的金属-介质光栅共振传感结构进行了光传输特性及传感特性进行数值仿真研究,并分析了结构参数及入射光偏振态对半峰全宽及传感特性的影响。仿真结果表明:在800～1100 nm波长范围,该传感器结构的传输谱存在两个由光栅衍射及等离子体共振形成的凹点,相应的半峰全宽分别可达0.35nm及0.59 nm,折射率灵敏度分别为525.7 nm/RIU、475.7 nm/RIU,品质因数分别高达1502.00 RIU和806.27 RIU。与纯金属光栅相比,金属-介质光栅结构的品质因数提高了两个数量级。（2）提出了一种能够实现双可调类电磁感应透明效应的石墨烯等离子体结构。针对现有的类电磁感应透明器件慢光效应差的问题,本文通过将石墨烯、薄金层与光栅相结合,设计出了慢光效应较好的可调谐类电磁感应透明结构。该设计利用时域有限差分法研究了结构的光学响应,发现类电磁感应透明效应是由石墨烯层亮模式和金层暗模式之间的破坏性干涉引起的,这种现象可以通过费米能级来调节,而费米能级能够通过外加电压进行动态调谐。结果表明,在太赫兹波段,该结构的群延时可达0.62 ps,群折射率超过1200,最大延迟带宽积为0.972,类电磁感应透明峰值频率透过率高达0.89,其性能优于现有的大部分的同类型器件。（3）提出了一种基于光栅的石墨烯窄带吸收器,能够实现中红外波段的可调谐双窄带完美吸收。相比于其他同类型结构只研究石墨烯化学势对吸收效果的影响,该设计进一步讨论了石墨烯散射率对吸收效应的调谐作用。仿真结果表明,在中红外波段,石墨烯散射率的降低能够有效减小吸收峰的半峰全宽,同时提高结构吸收率。石墨烯化学势为0.7 e V时双峰吸收率均可达到0.98,吸收峰的半峰全宽最小可至0.16THz,折射率灵敏度为7.13 THz/RIU。

关键词： 电化学生物传感器   纳米材料   石墨烯   电子回旋共振   葡萄糖  

摘要： 生物传感器是一种将生物学和传感技术结合的新型传感器,其发展得益于化学、物理、材料、电子学等多种学科的交叉发展。已经广泛应用于各种生物医学、环境检测以及食品安全等方面,具有广阔的应用前景和经济效益。其中电化学生物传感器因其灵敏度高、快速检测、成本低且易小型化等特点,成为生物传感器研究的热点之一。在传感器设计中,选择合适的纳米材料电极非常重要,但目前纳米材料电极的制造过程存在不易控制、效率较低等问题。因此,纳米材料电极的直接可控制造对于生物传感器的发展尤为重要。本文以氧及氧化铜掺杂石墨烯边缘结构为研究对象,以低能电子照射一步式制造技术为制造方法,以氧及氧化铜掺杂石墨烯嵌入式碳膜电极的高电化学活性为途径,最终实现葡萄糖等生物分子的高灵敏传感。具体研究内容如下: 利用电子回旋共振(ECR)纳米表面加工系统,通过调控照射电子能量在氧掺杂下一步式制造氧掺杂石墨烯嵌入式碳膜电极;在此基础上,结合多腔室靶材系统,通过调控氧掺杂含量和金属靶材电流,实现氧化铜耦合氧化石墨烯边缘碳膜电极的直接制造。研究了氧掺杂下石墨烯边缘嵌入式碳膜表面石墨烯及含氧官能团的可控制造机理,实现了SY和TT同时检测,其检测限为0.33μM和0.41μM。针对氧化铜耦合氧化石墨烯边缘结构对葡萄糖传感的增强机理以及调控规律研究,基于氧掺杂石墨烯嵌入式碳膜,同时增加氧、铜原子沉积,制造氧化铜耦合氧化石墨烯边缘碳膜电极;在实验中发现,当铜靶材电流为200 m A、氧气含量为20%、沉积时间为10分钟、基底为氧掺杂石墨烯嵌入式碳膜时的电极表面不仅会形成较多的利于催化葡萄糖氧化的氧化铜,而且对电极表面利于电子传递的石墨烯边缘和各种官能团的形成影响最小,最终实现线性范围0～121μM下,葡萄糖检测极限低至50.3 n M的高灵敏检测。 本论文所采用的电极制造具有制造简便、高电化学活性、灵敏度高、可持续性和环保性等优势和意义,将为纳米材料电极的可控制造和高灵敏葡萄糖传感器的发展提供科学基础和技术支持。

关键词： 柔性传感器   辐照改性   碳纳米管   石墨烯   复合材料  

摘要： 随着人工智能和健康监测的发展,作为人体体征三个重要指标的应变（运动）、湿度和温度柔性传感器得到了广泛的关注并期望可作为人体感官的延伸应用到极端环境中。碳纳米管（Carbon Nanotubes,CNTs）和石墨烯（Graphene）因其优异的物理化学性质在柔性传感器制备中展现出巨大潜力,但所获得的碳纳米基柔性传感器性能仍不能满足要求。因此,柔性传感器的微/纳结构调控成为了研究热点。辐照作为一种改变材料形貌和物理化学性质的技术,有望成为提高柔性传感器性能的有利工具。因此,本文基于多壁碳纳米管（Multi-walled Carbon Nanotubes,MWCNTs）和Graphene材料制备了应变、湿度和温度柔性传感器,并全面深入开展柔性传感器辐照改性和机制研究,以期为柔性传感器的制备改性提供理论基础和依据。 以羟基化MWCNTs为敏感材料,以带有大量官能团和微结构铂金固化硅胶（Ecoflex）为柔性基底,制备具有1%-400%应变范围和灵敏度（Gauge Factor,GF）为28的应变柔性传感器。羟基化MWCNTs基应变柔性传感器经1 Me V电子辐照改性后,当辐照注量为5×1012 e/cm2时,传感器GF增长最多,增长比为62.8%;传感器的响应/恢复时间分别缩短了50.0%和89.2%,并对0.01%微弱应变产生敏感响应;当应变为400%时,辐照后传感器的GF增加344%。1 Me V电子辐照进一步增强了羟基化MWCNTs与Ecoflex基底之间的相互作用提升性能。150 ke V质子辐照改性羟基化MWCNTs基应变柔性传感器后,辐照注量为1×1014 p/cm2时,传感器GF增长比为113.8%;传感器的响应/恢复时间分别缩短了49.4%和45.1%;在最大应变下,辐照后传感器GF增加了7770%。150 ke V质子辐照使Ecoflex柔性基底表面产生大量微裂纹结构增加粗糙度提升性能。 以Graphene、黄原胶（Xanthan Gum,XG）和羟乙基纤维素（Hydroxyethyl Cellulose,HEC）等混合物为敏感材料,以聚酰亚胺（Polyimide,PI）为柔性基底,制备了16%-96%RH湿度响应范围和响应性为10000（96%RH）的湿度柔性传感器。Graphene基湿度柔性传感器经150 ke V电子辐照改性后,当辐照注量为1×1013 e/cm2且测试相对湿度为88%时,传感器的响应性为未辐照传感器的14.3倍。1 Me V电子辐照改性后,当辐照注量为1×1014 e/cm2且测试相对湿度为88%时,传感器的响应性为未辐照传感器的22.4倍;相对湿度为97%时,传感器的响应性为1.2×10～5。电子辐照后高分子材料形成适当的网络结构,有利于敏感材料吸湿膨胀。同时,辐照后的敏感材料表面的褶皱和亲水官能团有利于其响应性能的提升。 以Graphene、MWCNTs和PI薄膜分别作为敏感材料和柔性基底,制备了25-200℃传感范围和灵敏度为0.312%~oC-1的温度柔性传感器。MWCNTs/Graphene基温度柔性传感器经20 Me V C离子辐照改性后,在低辐照注量下呈现正温度系数。当辐照注量为2×1011 ion/cm2且测试温度为50~oC、100~oC、150~oC和200~oC时,温度传感器的响应增长比分别为617.9%、138.7%、109.7%和343.9%。在高温区辐照后传感器的灵敏度为1.605%~oC-1。20 Me V O离子辐照改性后的温度柔性传感器均表现出负温度系数。当辐照注量为2×1011 ion/cm2且测试温度为50~oC、100~oC、150~oC和200~oC时,辐照后传感器的响应增长比分别为594.1%、934.9%、733.5%和404.9%。在高温区辐照后传感器的灵敏度为-0.773%~oC-1。20 Me V C离子辐照使Graphene中的碳原子重新排列组合,缺陷数量减少并展现金属特性。随着温度的升高,引起更强的晶格散射,导致电荷载流子的移动性下降,降低其导电性。此外,Graphene缺陷的减少有利于温度升高柔性基底膨胀时,Graphene间的分离或相对滑动,进而导致电阻的增加表现为正温度系数增强。20 Me V O离子辐照使Graphene出现碳原子缺失、碳原子位移、以及O掺杂等缺陷。这些缺陷使Graphene表现为半导体特性。温度升高载流子从价带向导带转移概率增加,造成电阻降低。此外,Graphene的O掺杂等缺陷的增加有利于Graphene间的相互作用。温度升高柔性基底膨胀时,Graphene间反而重新建立了导电网络结构,使Graphene电阻降低表现为负温度系数增强。

关键词： 钛基复合材料   石墨烯   网状结构   界面结构   强韧化机制  

摘要： 非连续增强的钛基复合材料（DRTMCs）在汽车制造、武器装备、生物医学、海洋防腐和航空航天等领域具有不可估量的发展前景与应用潜力。其中,增强相呈可控的三维（3D）准连续网状分布的钛基复合材料（TMCs）在提高强度的同时,能够保持良好的塑性,解决了增强相均匀分布所导致的严重的室温脆性问题。该类复合材料展现出优异的综合性能,在航空航天领域内备受关注。石墨烯不仅具有优异的导热、导电性,同时具有高的比表面积、低的密度、优异的自润滑效果和超高的力学性能,可以用于替代传统增强相。然而,在石墨烯增强TMCs的研究中,增强相呈可控的3D准连续网状分布的报道相对较少。石墨烯本身极易团聚,且容易与钛基体之间发生界面反应。因此,进行石墨烯在基体中的均匀分散和网状结构复合材料界面的有效调控是解决TMCs目前瓶颈问题的两大重要举措。本文以石墨烯和球形TC4粉末为原料,以放电等离子烧结（SPS）工艺为基础进行高性能石墨烯/TC4复合材料的制备,旨在解决目前石墨烯增强TMCs面临的如上两大难题。 本文采用了一种新颖的3D动态旋转混料工艺,实现了石墨烯在钛球表面相对均匀的分散。为了有效地调控3D网状界面结构,复合材料的制备工艺从两种思路进行开展。第一种是通过一步法低温高压（700℃-500 MPa、800℃-300 MPa和900℃-250 MPa）SPS工艺进行复合材料的制备。首先,以大尺寸TC4球形粉（TC4,120-150μm）为基体材料,以多层石墨烯（MLG,5-13层）为增强相,在高的MLG含量下（0.5 wt.%）,探究获得相对致密的MLG增强TMCs（MLG/TC4）的最佳制备工艺;为了得到更加致密的组织结构,采用最佳工艺制备相对少含量MLG（0.05 wt.%、0.10 wt.%、0.15 wt.%、0.20wt.%、0.25 wt.%）添加的复合材料,探究含量变化对界面结构与性能的影响;在最佳含量的基础上,精细化调控对界面反应程度影响较大的温度参数（850℃、900℃和950℃）,探究具有不同界面构型的少层石墨烯增强的TC4基复合材料（FLG/TC4）的结构与性能,并比较不同石墨烯（MLG/FLG）的强化效果。第二种思路是通过新颖的SPS与SPS-forging（SPF）相结合的两步法进行复合材料的制备。由于SPF变形会导致增强相分散程度增加、局部含量降低,因此,该探究首先采用相对较高的0.25 wt.%MLG/TC4复合粉末作为初始原料,获得具有较优界面结构与力学性能的复合材料制备工艺,并探究不同MLG含量（0.15 wt.%、0.25 wt.%、0.35 wt.%、0.45 wt.%）的影响规律;在最佳SPS&SPF工艺与MLG含量的基础上,选取不同尺寸的基体颗粒（D15:2-15μm、D53:15-53μm、D97:63-97μm、D150:120-150μm）为原料,制备并调控增强相由准均匀分布逐渐过渡到网状分布的MLG/TC4复合材料（DS15、DS53、DS97、DS150与DF15、DF53、DF97、DF150）,探究不同网状尺寸对复合材料的微观组织、界面结构、力学性能的影响及变形态复合材料的强化机制。本文主要研究及结果如下: （1）3D动态旋转工艺具有相对轻缓的压缩力和剪切力,在低速（70 r/m）条件下可以实现石墨烯在球形钛粉表面的分散。通过对不同混料时间的探究可知,16 h所对应的0.5 wt.%MLG/TC4复合粉末的分散效果较好,缩短（4 h、8 h）或延长时间（20 h）均会导致石墨烯团聚严重或过度挤压破坏。三种低温高压SPS条件所制备的0.5 wt.%MLG/TC4复合材料均形成的3D网状结构,其中,900℃-250 MPa为最佳低温高压SPS条件,复合材料不仅具有高的密度（～99.1%）,同时展现出较优的压缩力学性能(σ0.2:955 MPa,ε:31.9%)。 （2）在最佳低温高压SPS条件下,少含量MLG（≤0.25 wt.%）添加有利于形成更加致密的复合材料。随着MLG含量由0.05 wt.%增加至0.25 wt.%,复合材料3D网状边界由“点”状过渡到“短线”状及接近“墙”状,且与基体紧密结合。界面处残留MLG与原位生成Ti C的体积比约为30%:70%。复合材料的维氏显微硬度随着MLG含量增加而递增,其中,0.25 wt.%MLG/TC4复合材料比基体提升13%;0.15 wt.%MLG/TC4复合材料的压缩及拉伸力学性能均最优。其中,拉伸屈服强度（YS）与抗拉强度（UTS）分别达为938 MPa、1010 MPa,比基体提高15.8%、14.6%,同时具有可接受的延伸率（ε:9.0%）,实现了以较少的MLG添加获得强度增加显著和塑性小幅减少的目标。相比于基体,复合材料的塑性有所下降,主要是由