关键词： 棱刺球TiO2   溶剂热原位生长   TiO2-G共价复合材料   甲醛降解  

摘要： 空气污染严重危害到人体的身心健康,依靠传统吸附处理的方式容易存在吸附饱和、效率低下问题。光催化技术具有高效、可靠的优点,已经成为治理空气污染物的有效途径。TiO2是研究最为广泛的催化剂之一,然而,单一TiO2效率低下、光生电子-空穴对易再次复合等问题,制约了TiO2的进一步发展。基于在处理工业空气污染气体中,相关TiO2催化剂的形貌特征过于单一,主要以颗粒状为主,以及TiO2可见光催化活性弱等问题开展研究。本文采用溶剂热原位生长法,制备具有独特形貌的棱刺块TiO2-G共价复合材料（PTG）。同时以甲醛作为模拟工业空气污染物处理对象,测试PTG对甲醛的可见光催化降解效果,以此来丰富TiO2-G基复合材料在处理工业空气污染物中的研究。此外,对PTG进行多种表征方式表征。表征发现PTG中石墨烯片（Gs）与棱刺球TiO2（PT）较好的结合在一起,PTG保留了Gs与PT的晶体结构特征;PTG整体形貌为块状结构,表面布满大量的棱锥形TiO2尖刺,尖刺上布满大量的半球形凸点;PTG中Gs与PT之间以Ti-C、Ti-O-C共价键的形式结合;不同PTG块体之间还存在大量的孔洞结构,有利于甲醛气体的顺利通过;对PT和PTG进行可见光催化降解甲醛效果、循坏耐用性和多影响因素测试,动力学反应拟合分析、市面产品对比分析以及结构稳定性表征分析。实验发现在120min可见光照射下,PT能够降解61.6%的甲醛,在不同Gs掺比制备的PTG中,2%Gs掺比的PTG对甲醛降解效果最佳,甲醛最终降解率可达80.1%。经过5次循环甲醛降解测试后,PTG依旧保持了77.6%的甲醛降解率,且用Raman表征分析循环测试前后PTG的晶体结构,未发现PTG结构上产生明显的变化。在多种影响因素测试中,30mg使用量的PTG甲醛降解效果最佳;40%RH环境湿度下的PTG展现出最佳的甲醛降解效果。对PT和PTG进行动力学反应拟合分析,发现PT和PTG对甲醛的降解过程符合一级动力学反应过程,PTG拟合效果更佳,拟合R2可达0.987。与市面产品对比发现,欲达到市面产品类似甲醛去除效果,PTG具有更少使用量的优势。最后,对PTG进行EPR自由基检测发现,PTG在可见光照射下,能够产生强烈且持续的羟基自由基和超氧根自由基响应信号。进一步证实了PTG具有良好的可见光响应持续性,并推测出PTG可能的甲醛催化降解机理。

关键词： 石墨烯   自然对流   导热系数   剪切应力  

摘要： 石墨烯因其出色的导热性在工程和医学等方面均有应用。伴随着电子设备开始向纳米尺度的小型化、高频化及高度集成化的方向发展，导致高密度的纳米器件在运行的过程中产生大量热量，因此热管理系统对石墨烯在液冷散热和导热调节等方面的应用提出了新的要求。　　传统液冷散热受限于纳米器件的散热面积，亟需提高流体热容量来满足热管理系统的需求。在液体中添加石墨烯纳米颗粒，利用石墨烯的高导热性来提高流体热性能是一种可行的方法。为避免石墨烯纳米颗粒的自然沉降，通常选择添加表面活性剂来提高流体稳定性。在不同的应用场景下，选择何种表面活性剂来改善石墨烯纳米流体自然对流换热性能成为难题。本文通过搭建实验装置及数值模拟，研究不同表面活性剂在不同应用场景下对石墨烯纳米流体自然对流的影响。　　在石墨烯导热调节应用中，施加剪切应力使石墨烯平面扭转变形可以降低石墨烯热导率，而当剪切应力消失后，石墨烯的热导率将会恢复如初。由于剪切应力对石墨烯热导率可以反复调节，因此可在热管理系统中广泛应用。目前关于不同构型石墨烯的热导率在遭受剪切应力时的变化并不清晰，本文利用分子动力学模拟方法，从声子层次研究剪切应力对石墨烯导热性能的影响机理，阐明剪切应力对不同构型石墨烯声子传输特性的影响。本文主要研究工作如下：　　（1）为选择适合石墨烯纳米流体工作场景的表面活性剂，分别对含有不同表面活性剂GA，SDS和SO的石墨烯纳米流体进行物性参数的测量。发现石墨烯-SO纳米流体的导热系数最大。通过搭建自然对流实验装置，发现在同一倾斜角度下，随着热流密度的不断增大，石墨烯-GA纳米流体的换热热阻较小，并且在相同的热流密度情况下，石墨烯-GA纳米流体的对流换热系数最大。表明SO表面活性剂更适合提高石墨烯纳米流体的导热能力，而GA表面活性剂更适用于石墨烯纳米流体对流换热。　　（2）为探究倾斜角度对石墨烯纳米流体的影响，通过倾斜实验装置来寻找适宜石墨烯对流换热的角度。在不同倾斜角度下，添加表面活性剂的石墨烯纳米流体的换热性能均优于未添加表面活性剂的石墨烯纳米流体。当倾斜角度为45°时，其温度分布在沿轴线方向呈现出良好的等温性。且添加表面活性剂的石墨烯纳米流体的努塞尔数更大，表明对流换热程度剧烈，因此添加表面活性剂有利于纳米流体热量的传递。　　（3）从声子层次上比较了剪切应力对矩形和环形石墨烯热导率的影响。由于两种不同构型石墨烯的起皱结构不同以及声子边界散射的差异，剪切应力对环形石墨烯热导率的影响不如矩形石墨烯显著，表明剪切应力更有利于调节矩形石墨烯的热导率。　　（4）随着应变角的增加，两种石墨烯构型的热导率在遭受剪切应力时呈单调下降的趋势，这与前人研究的倒V形趋势不同。基于本项工作中的声子分析，考虑前人研究选用AIREBO势能模型是导致微小剪切应力下热导率异常增加的原因之一。本文选用展现石墨烯声子特性最佳性能的opt-Tersoff势能模型，可以更准确的预测石墨烯热导率。　　本文基于纳米器件热管理背景，研究了石墨烯在应用液冷技术及热量调控能力方面的问题。研究发现添加不同表面活性剂适用于石墨烯纳米流体的不同工作场景，发现不同构型的石墨烯在遭受剪切应力时热导率的变化并不相同，为石墨烯在热管理系统中的应用提供了新的思路。

关键词： 石墨烯   超疏水   耐侵蚀   高强度   耐热  

摘要： 超疏水特性已吸引了众多研究学者的广泛兴趣,人们不断开发出新的超疏水材料,并开展了实际应用。例如:自清洁、防覆冰、油水分离等,但目前超疏水材料仍然存在诸多亟待解决的关键问题,如:耐热性差、力学强度低、化学稳定性差等,使得相应的超疏水材料在实际应用中受到一定的限制。本文针对上述关键问题,提出以石墨烯材料为主要原料,基于纤维增强策略,并通过工艺优化,制备出高性能石墨烯超疏水涂层。主要研究内容与结论如下:1.通过改进Hummers法制备氧化石墨烯,并采用水合肼对氧化石墨烯进行还原制备石墨烯。系统研究了石墨烯在不同溶剂中的分散性,并采用滴涂法制备了石墨烯涂层。结果表明:石墨烯涂层表现出优异的超疏水性能,其水接触角达到157.5°,耐热性能可达240°C,但涂层的力学强度有待提高。2.通过引入甲基硅树脂作为粘结剂,提高涂层的力学强度。结合热喷涂法,制备了甲基硅树脂复合的石墨烯超疏水涂层。结果表明:在负载为100 g的条件下,承受6 m的磨损距离后,涂层仍然保持超疏水性,且其耐热温度达到350°C。3.为进一步提升涂层性能,基于纤维增强策略,通过引入莫来石纤维,将石墨烯/莫来石纤维/甲基硅树脂与乙醇共混配成涂料,采用热喷涂法制备石墨烯复合超疏水涂层。结果表明:在酸/碱/盐溶液中浸泡150天后,涂层表面的水接触角始终保持在150°以上,反映涂层具有优异的耐侵蚀性;在100 g负载下,磨损距离可达到12 m,表明涂层具有较高的力学强度。通过高温处理及热重测试分析发现,该涂层在350°C下处理10 h后,仍然具备超疏水性,在700°C的热处理下,热失重仅为10.17 wt%,表明涂层具有优良的耐热性。4.对石墨烯复合超疏水涂层的应用开展探究,结果表明:涂层对于PVA溶液、硅酸钠溶液、咖啡溶液、纯水、酸溶液、碱溶液6种不同液体的水接触角均超过了150°;且该涂层可以与陶瓷、玻璃、塑料、无纺布、金属五种不同基底强力结合,表明该超疏水涂料具有应用普适性;涂层在防覆冰实验中结冰时间长达452 s,而未处理的材料表面结冰时间仅为76 s,凝结时间延迟了376 s,表明涂层具有优异的防覆冰性能;涂层在户外长期放置66 d后仍具备超疏水性,表明涂层具备长期户外耐候性。

关键词： 双原子催化剂   石墨烯   尿素氧化反应   水分解反应   密度泛函理论  

摘要： 现代社会同时面临着能源供给不足和生存环境恶化的问题,为了解决这一困境,开发利用清洁的新能源显得尤为重要。其中H2由于具有能量密度高、产物无污染和可再生等优点,成为科研人员关注的焦点。目前主流的制氢方法仍为电解水制氢,然而电解水过程中阳极侧析氧反应的过电位过高,这不利于整个的反应的进行,如果能使用过电位较低的尿素氧化反应替代析氧反应,能使得整个催化过程的效率得到极大提高。另一方面,尽管Pt基材料能有效地催化水分解反应,但受限于Pt的高昂成本、储量稀缺等问题,难以实现大规模的工业化运用,因此制备廉价高效的水分解反应催化剂是一个备受关注的课题。基于上述背景,本文围绕尿素氧化和水分解两个反应进行相应的研究。以Ni基的五种双金属掺杂的石墨烯为基础,研究了不同金属原子组合用于尿素氧化反应和水分解反应的性能。主要研究内容如下:（1）模型构建和电子结构分析:以实验中的表征数据为基础,初步构建出五种双金属掺杂的N、O配位的石墨烯模型。通过形成能计算,发现均为锯齿状边缘且金属位点位于边缘的是最稳定模型。在此基础上建立单金属掺杂模型用于对比。通过态密度和差分电荷密度分析可知,双金属掺杂的石墨烯中的两个金属原子之间有一定相互作用,对电子结构产生影响,双金属掺杂的石墨烯内部的电子传输能力更强。（2）尿素氧化反应的理论研究:通过尿素吸附后的差分电荷密度图,发现双金属掺杂的石墨烯电荷密度变化集中在尿素中,而单金属掺杂的石墨烯电荷密度变化集中在金属位点区域。利用键长和ICOHP分析,发现吸附在双金属掺杂的石墨烯上的尿素内部键更不稳定,更容易产生断裂发生反应。这说明双金属掺杂的石墨烯在尿素氧化反应方面较单金属掺杂的石墨烯更具有优势。（3）水分解反应的理论研究:双金属掺杂的石墨烯具有N、O和金属多个可能吸附位点。通过对析氢反应和析氧反应的关键中间体不同吸附位点的结构优化结果,筛选出能发生吸附的位点。在能完成吸附的位点上,计算了两个反应的反应能量描述符。结果表明双金属掺杂的石墨烯整体在析氧反应方面具有良好活性,而在析氢反应方面的Ni Mo双金属掺杂的石墨烯具有可观的活性。该项工作为双金属掺杂的石墨烯用于电解水制氢提供了理论指导。

关键词： 分子动力学模拟   界面热阻   功能化石墨烯薄膜   CVD生长   润湿性  

摘要： 随着电子元器件朝集成化、精细化和小型化方向发展,微通道散热器因其具有体积小、适应温度跨度大等特点被广泛应用于微纳电子器件散热领域。当微通道表面生成具有高导热性能的石墨烯二维材料时,可进一步强化微通道散热性能。本文通过构建非平衡态传热模型研究石墨烯-散热工质的界面热输运性能并提出对其调控机制,同时采用实验和分子动力学模拟相结合的方法研究散热工质在石墨烯薄膜上的润湿性。本文研究内容对强化石墨烯微通道界面高效换热有一定的指导意义。使用分子动力学模拟的方法研究不同温度下水、乙醇、乙二醇与石墨烯之间的界面热阻变化规律,通过声子态密度分析、近壁密度分析和计算界面结合能揭示界面热阻变化机理。模拟结果表明,由于醇类散热工质能够与石墨烯产生更好的声子耦合以及更强的界面结合能,因此能够明显降低界面热阻,其中乙二醇能够在高温下实现高效界面换热。模型结构尺寸对界面热阻的影响研究结果显示,界面热阻随着石墨烯尺寸的增加会出现小幅度的降低。采用非平衡态分子动力学模拟的方法研究石墨烯薄膜中单空位缺陷、Stone-Wales缺陷和氮原子掺杂缺陷对石墨烯-水界面热阻的影响,使用简单点电荷模型描述水分子相互作用,采用Tersoff势函数计算碳碳相互作用。通过与无缺陷结构相比,单空位缺陷能够大幅度提高界面热输运效率。此外在温度对界面热阻的影响研究结果表明,这三种缺陷结构的界面热阻随着温度的增加均呈现出明显的非单调下降趋势。通过化学气相沉积法制备石墨烯薄膜,使用真空抽滤和还原氧化石墨烯的方法制备功能化石墨烯薄膜,并对其进行组分分析、形貌表征测试和润湿性能测试,采用分子动力学模拟的方法对液滴在薄膜上的润湿性进行模拟和微观润湿机理分析。研究结果表明,随着石墨烯薄膜上官能团含量的增加液滴接触角会出现不同程度的降低,其中羟基团对散热工质液滴的润湿优化效果最佳。

关键词： 太赫兹   传感器   等离子体诱导透明   石墨烯超材料   多功能调制  

摘要： 在太赫兹波段内,大多数生物分子都会产生自身独有的特征信息光谱,这种指纹谱特性使得太赫兹光谱技术相比于传统传感技术更具优越性,但是在检测低浓度物质时太赫兹波不能和待测物质充分作用,导致太赫兹检测技术在传感方面的应用受到极大的影响。超材料作为一种非天然的人工材料,对周围环境中的物理特性变化情况十分敏感,因此越来越多的超材料被应用于太赫兹频段内的传感领域之中。然而,由金属构成的传统超材料只能实现静态调控,相比之下石墨烯超材料可通过改变自身的费米能级实现动态调控从而将传感与调制两方面紧密的联系起来,极大的拓宽了超材料的应用范围。基于此,本文通过石墨烯超材料设计了三种可调谐的太赫兹超材料传感器。本文主要研究内容如下:1.为突破现有超材料传感器功能单一的问题,本文提出了一种将调制功能与传感功能相结合的石墨烯多功能超材料传感器,该传感器的石墨烯层由石墨烯带和石墨烯半圆环组成。当入射波沿y极化方向传播时,该传感器会通过明-暗耦合模式在2.5～4.0 THz频段内激发出等离子体诱导透明（Plasmon-Induced Transparency,PIT）现象。除此之外,该传感器不仅可以实现双模式调控,还可以通过改变石墨烯载流子迁移率实现对透明窗口的有效调制。最终结果表明该传感器的灵敏度和FOM（Figure Of Merit）值分别可以达到1.4 THz/RIU（Refractive Index Unit）和17.30 RIU-1。2.由于现有超材料传感器只能实现单极化方向上的单一PIT现象,若不同待测物质在同一频段谐振模式是相同的,则不能实现对待测物质的有效区分。基于此,本文提出了一种可实现双极化双PIT现象的石墨烯太赫兹超材料传感器。该传感器通过明模式和准暗模式之间的破坏性干涉在两个极化方向上各产生了两个透明窗口。此外该传感器除了自身石墨烯结构的可调谐性,还可以通过调节入射波的偏振方向来实现双透明窗口在低频和高频之间的转换功能。其次,在不同入射角度下,该传感器的透射频谱不会受到较大影响,同时结果表明该传感器可以达到1.1 THz/RIU的灵敏度。3.为突破现有超材料传感器检测灵敏度较低的问题,本文设计了一种基于新型连续介质柱的石墨烯太赫兹超材料传感器,其单元结构由简易的石墨烯圆环和石墨烯条组成。在x极化方向上,三个谐振单元通过明-准暗耦合模式在1.5～2.5 THz频段内产生两个透明窗口。同时,通过引入连续介质柱这一新型结构以增加待测物质与传感器的接触范围,并通过对比实验验证了连续介质柱的引入显著提升了传感器的检测灵敏度,最终结果表明该传感器最高可以达到1.2 THz/RIU的检测灵敏度。

关键词： 石墨烯量子点   荧光传感   铁离子检测   甲基磺草酮检测  

摘要： 石墨烯量子点（GQDs）是一种新型的零维纳米材料。相比于传统的有机染料和半导体量子点,石墨烯量子点具有更加出色的光致发光性能、水溶性、抗光漂白性、低细胞毒性和良好的生物相容性,在太阳能电池、发光二极管、生物成像和光学传感等领域得到广泛应用。过去十几年,研究人员发展了许多简单快速、产率高的合成方法制备石墨烯量子点,在该过程中,还发现对石墨烯量子点表面进行修饰或者在其分子结构中掺杂其它元素,可以增加石墨烯量子点的表面缺陷并提高石墨烯量子点的光致发光性能。 本文通过氮和硫两种元素的共同掺杂,合成了两种氮硫共掺杂石墨烯量子点（NS-GQDs）,并研究了它们在荧光传感领域的应用。主要的研究内容和结果如下: （1）以柠檬酸和硫脲为原料水热法合成了在溶液中均匀分散的浅蓝色荧光的氮硫石墨烯量子点（NS-GQDs-1）其粒径范围在3.9-10.0 nm之间,平均粒径为7.0 nm,荧光量子产率为18%。以柠檬酸和L-半胱氨酸为原料通过碳化裂解法合成了发射明亮蓝色荧光的氮硫石墨烯量子点（NS-GQDs-2）,平均粒径为19.2 nm,粒径范围在9.8-29.1 nm,荧光量子产率高达51%。NS-GQDs-1和NS-GQDs-2溶液分别在p H为9和7时具有最大荧光强度,且都具有良好的盐稳定性和抗光漂白性。 （2）使用NS-GQDs-1构建了直接检测Fe3+的荧光探针。实验结果表明,该荧光探针能够对Fe3+实现定量分析,且线性检测范围为0-750μM,检测限为1.2μM。加标回收实验结果表明,该荧光探针可在真实水样中检测Fe3+。最后对检测Fe3+的检测机理进行了分析,发现线性检测是通过Fe3+对NS-GQDs-1的静态猝灭作用实现的。 （3）使用发射蓝色荧光的NS-GQDs-2构建了直接检测甲基磺草酮的荧光探针。该探针对甲基磺草酮的线性检测范围在0-700μM,检测限为0.26μM,并具有很好的选择性。实验结果表明,NS-GQDs-2对甲基磺草酮的检测是基于静态猝灭机制实现的。加标回收实验结果表明,该探针对甲基磺草酮可实现优异检测,有在真实环境中应用的潜力。

关键词： 水性环氧树脂   氧化石墨烯   壳聚糖   纳米二氧化硅   耐腐蚀性  

摘要： 金属腐蚀会大大减低材料的使用寿命,使其失去材料本身的性能,不仅造成了严重的经济损失,而且还导致严重的安全生产事故。尽管溶剂型环氧涂料可以延缓腐蚀介质对金属表面的侵蚀,但是由于溶剂型环氧涂料在使用过程中会产生大量的有毒挥发性有机物（VOC）,破坏环境,危害身体健康。水性环氧树脂涂料绿色环保,大大降低施工过程中有害物质的挥发。氧化石墨烯（GO）与改性后的壳聚糖（MCS）复合到水性环氧树脂涂层中大幅度提高涂层的耐蚀性能,纳米二氧化硅（nano-SiO2）的掺杂则提升了涂层在高温下的热稳定性能。主要研究内容如下: （1）为了克服水性涂料耐腐蚀性差、疏水性低的问题,在水性环氧涂料中加入GO和MCS两种缓蚀材料,得到了一种具有综合性能的新型涂层。利用密度泛函理论（DFT）分别探讨了MCS和GO接枝MCS（GO-MCS）与树脂的结合能力。GO与MCS接枝形成的复杂交联网络结构不仅提高了分子间相互作用力,而且提高了与水性环氧树脂的结合能力,进一步提高了复合涂层的致密性,有效延缓了腐蚀介质对涂层的侵蚀。该复合涂层在涂层-金属界面处表现出优异的疏水性和耐蚀性双重功能,对金属形成了较强的保护作用。测试结果表明,复合水性涂层的接触角达到87°,自腐蚀电流为0.28μA/cm-2,腐蚀电压为-0.45 V,缓蚀率最高可达99.97%。 （2）将改性纳米二氧化硅（MSiO2）掺杂到复合涂层中,成功开发了一种具有特殊“蛋嵌蛋托”结构的GO/MCS/MSiO2涂层,在降低涂层内部缺陷的同时提高涂层的致密化和耐高温性能。以MSiO2作为催化交联反应位点,将均匀分散的MSiO2牢固地“固定”在复合涂层中。此时MSiO2相当于催化剂,不仅强化了GO与MCS之间的交联反应,还改善了自身与GO-MCS结构之间的反应,将此效应称为“固定催化原位交联反应”。测试结果表明,涂层在低频(|Z|0.01Hz)下的阻抗模量达到1.8×10～6Ω·cm2。与GO/MCS涂层相比,GO/MCS/MSiO2涂层的耐腐蚀性能和疏水性能不仅有了很大的提高,而且提高了复合涂层在高温下的热稳定性。复合涂层对金属的保护作用更加全面和多重。 综上所述,研究发现缓蚀材料之间的接枝与交联反应是降低环氧树脂涂层缺陷,提高涂层耐蚀和热稳定性的有效途径。有机-无机材料的交联复合同样可以降低腐蚀介质对涂层的侵蚀能力,也是一种行之有效的提高涂层综合性能的手段。

关键词： 氧化石墨烯-碳纤维   形状记忆复合材料   真空浸渗热压成型   组织性能   有限元分析   夹取释放机构  

摘要： 形状记忆聚合物(SMP)材料是一种新型智能材料,以其化学性质稳定、在外界刺激下可变形、响应形式多样等优势广泛应用于可展开可变形结构中。但是SMP强度与模量较低,难以用作结构承载部件,因此通过将微米或纳米增强体加入到SMP中,可在保证其形状记忆功能的同时兼具较为理想的承载性能。本文拟采用真空浸渗热压成型工艺(VIHPS)制备氧化石墨烯-碳纤维(GO-CF)混杂增强形状记忆聚合物基复合材料(SMPC),针对制备过程中存在的分散工艺条件对纤维表面形貌、基体与纤维之间的润湿特性等影响规律不清晰;制备条件对SMPC微观组织、形状固定与回复性能、三点弯曲性能的影响机理有待完善等问题开展深入研究,为真空浸渗热压成型SMPC的稳定制备提供了试验、理论与仿真基础,并利用该复合材料设计制备一种夹取释放机构,具体研究内容如下: (1)系统研究真空浸渗热压成型工艺的模块组成、工艺流程以及设计思路。针对分散工艺控制不当时,纳米GO颗粒在基体中易发生团聚、纤维与树脂之间的界面结合情况不理想以及含GO的基体溶液在纤维丝束中的浸渗规律不明确等问题,结合实验测试与理论分析,明确最佳超声分散时间、电磁搅拌温度以及GO含量,为后续制备浸渗效果均匀理想的SMPC在分散参数选择方面奠定基础。 (2)在明确SMPC分散工艺条件的基础上,针对真空浸渗热压成型SMPC过程中的GO含量、纤维层数以及纤维铺层等制备条件控制不当时,会产生浸渗不均匀、纤维独立分布、内部裂纹等现象,将试验研究与理论分析相结合,确定最佳制备条件,总结SMPC形状记忆机理,为理想形状记忆性能复合材料的制备以及减少或控制缺陷提供了有效支撑。 (3)基于不同制备条件下SMPC三点弯曲性能测试、弯曲断口形貌分析以及不同纤维铺层方式的有限元仿真,得到真空浸渗热压成型SMPC过程中的最佳GO含量、纤维层数以及纤维铺层。结合前述关于形状记忆性能的研究,明确具有理想微观组织、形状记忆性能、弯曲性能与断口形貌合理SMPC的最佳制备条件,为该类复合材料后续的深入研究与广泛应用提供依据。 (4)通过SMPC形状记忆性能与弯曲性能的研究,开展基于GO-CF混杂增强SMPC夹取释放机构的设计及制备工作,分析测试在不同循环次数以及不同回复温度下,SMPC固定与回复性能对夹取过程的影响,为该类复合材料在可变形结构领域的应用提供试验基础。

关键词： 太赫兹波   动态调控   有源材料   二氧化钒   石墨烯  

摘要： 太赫兹波因为具有安全性好、穿透性强、频带宽和物质识别的指纹谱等优异特性,而成为当前国际学术界重点研究的前沿技术之一,在安检、军事、通信和生物医学等重要领域具有广阔的应用前景。在太赫兹技术的推广应用中,需要利用太赫兹功能器件对太赫兹波幅值、频率、相位和偏振等参量进行调控。近几年,太赫兹功能器件的研究已经成为太赫兹技术领域的研究热点,尤其是能够实现太赫兹波相位和幅度动态调控的功能器件,更是太赫兹功能器件领域的研究重点,因为传统太赫兹功能器件加工完成后单元结构是固定不变的,无法实现动态调控。有源材料是具有动态可调性能的材料,二氧化钒（VO2）和石墨烯为典型的有源材料,可以用于太赫兹波参量的动态可调。本文重点研究基于有源材料-金属的太赫兹波参量动态调控器件,主要内容如下:（1）研究了太赫兹波相位调控器件和吸收器件的相关理论,同时对VO2和石墨烯的结构特性、相变机理和仿真建模方法进行了深入研究。（2）设计了一种基于有源材料VO2的太赫兹波相位调控器件。用全波电磁场分析软件CST Microwave 2021进行了器件建模与性能仿真,结果表明:室温状态下VO2处于绝缘态,器件对太赫兹波的反射率达到0.8;当温度达到68℃时,VO2发生绝缘态-金属态的相变,器件对太赫兹波的反射率同样可以达到0.8,两种状态的相位差最大为360°。该器件在实现大相位差的前提下保证了两种状态反射率均能达到0.8,成功实现了太赫兹波的相位调控功能。（3）设计了一种基于石墨烯的太赫兹可调宽带吸波器。全波电磁场分析结果显示:对于石墨烯费米能级EF=0 e V时,吸收率达到0.85的带宽约为1 THz;而当石墨烯费米能级EF=0.3 e V时,吸收率达到0.85的频率范围约为0.5 THz-5.5 THz,带宽达5 THz,且吸收带宽从低频开始,从而成功实现太赫兹波的吸收率宽带可调功能。本文设计的两种太赫兹波动态调控器件有望应用于太赫兹通信、成像、隐身和相控阵雷达等重要领域,对促进太赫兹功能器件的发展和太赫兹波的推广应用具有重要意义。