关键词： 激光诱导石墨烯   薄膜应变传感器   薄膜执行器   柔性制造  

摘要： 近年来,作为机电领域研究热点之一柔性电子器件受到广泛关注。柔性电子器件具有重量小、刚度低,变形能力强的特点,与传统电子设备相比,柔性电子器件的应用范围更灵活。激光诱导石墨烯（Laser-induced graphene,LIG）技术是一种常用的制备柔性电子器件电极材料的技术,其通过灼烧聚酰亚胺（Polyimide,PI）表面来制备含石墨烯二维电极材料,且具有成本低、速率快、工艺成熟的特点。国内外学者们利用LIG技术研制了许多性能良好的柔性电子器件,其中LIG电极在柔性应变传感器和柔性执行器的应用中极具潜力。然而,在柔性应变传感器方面,基于LIG电极的柔性应变传感器大多未形成稳定可重复的加工工艺,同型号应变传感器间的结构尺寸和传感性能的一致性较差;在柔性执行器方面,柔性电极采用制备方式更便捷的LIG电极技术的研究较少,通常由成本较高、加工繁琐的银浆、炭黑、碳纳米管等材料组成。为解决以上存在的难题,本研究将探索协同制备性能良好的LIG柔性应变薄膜传感器和LIG柔性薄膜执行器的方法。首先,本文设计了柔性电极以及其制作工艺。由液体转化为固体的聚二甲基硅氧烷有机硅（Poly-dimethylsiloxane,PDMS）形成吸附PI-LIG联合层的软胶薄膜;然后用强碱腐蚀PI,无伤分离LIG-PDMS柔性电极。此工艺制作的LIG-PDMS柔性电极为柔性应变传感器和执行器的核心。其次,本文设计了结构尺寸和传感性能一致性高的LIG柔性应变薄膜传感器,并设计了该传感器具有稳定可重复性的加工工艺。根据对得到的LIG柔性应变薄膜传感器进行的测试,薄膜传感器的结构尺寸精确,误差为±0.06 mm;LIG经过封装后,薄膜传感器硅胶内的微结构均匀;薄膜传感器受法向挤压应力时,线性变化范围为28.36%,灵敏系数Gf1为28%,薄膜传感器受周期性法向挤压时电阻重复性良好;薄膜传感器受轴向拉伸应力时,其线性变化范围为25.02%,灵敏系数Gf2为37%,薄膜传感器受周期性轴向拉伸时电阻重复性良好。最后,利用LIG-PDMS柔性电极搭建具有双层电极、较薄介电层（0.149 mm）、变形响应时间低至0.04 s的LIG柔性介电弹性体执行器。并验证了由此执行器搭建的软体机器人有0.44 mm/s爬行速度。本文基于LIG技术协同制备了具备良好电学传感性能且一致性较高的柔性应变传感器,以及响应迅速的柔性执行器。这两种柔性电极的具体应用方案为LIG在柔性电子器件方向上的应用提供了启发。

关键词： 四氧化三钴   还原氧化石墨烯   气体传感器   晶面效应  

摘要： 基于金属氧化物半导体（MOS）的P型和N型气体传感器被广泛的应用于各种气体检测、识别领域当中。这些传感器不仅灵敏度高,且具有成本低廉、使用便捷等优点。而气体传感器最核心的部分——传感材料影响着传感器的关键性能。近些年,如何制备出选择性好、响应值高的气敏材料成为了研究人员的研究重点。为了提高金属氧化物半导体的气敏性能,本论文从晶面工程和石墨烯复合协同效应的角度,通过简单的水热反应制备出了二维还原氧化石墨烯（r GO）纳米片网络包裹的具有特定晶面（{112}和{100}晶面）的P型四氧化三钴（Co3O4）纳米晶异质结构材料,并研究了Co3O4/10%r GO异质结的气敏性能。我们发现,单独的Co3O4{112}晶面具有比{100}晶面明显更好的三乙胺传感性能,表现出了明显的晶面效应。进一步的研究表明,经r GO修饰后,Co3O4{112}晶面的三乙胺传感性能得到进一步提高。在此基础上,我们对Co3O4/10%r GO纳米异质结材料的气敏稳定性、选择性等性能进行了系统研究。我们通过第一性原理理论计算,进一步探讨了Co3O4/10%rGO纳米异质结材料气敏机制。我们发现Co3O4{112}晶面比{100}晶面含有更多的活性Co3+空位以及化学吸附的氧空位,从而促进了三乙胺的吸附和随后的传感反应。此外,Co3O4{112}晶面和r GO之间的电子通过异质界面相互作用促进了有效的电荷转移,进一步提高了传感性能。本论文不仅为提高Co3O4的气敏性能提供了新的途径,而且加深了对MOS气体传感器晶面效应和MOS/石墨烯异质结构中异质界面相互作用的理解。这为研制气体传感器提供了新的研究思路,并将有助于深入设计基于MOS的高性能气体传感器。

关键词： 丝素蛋白   石墨烯   柔性应变传感器   柔性压力传感器   手势识别系统  

摘要： 柔性力学传感器可以将力学变形等外界刺激转化为易检测的电学信号,在人体健康监测、可穿戴器件、人机交互系统等领域具有良好应用前景。受制于传统电极材料及器件加工工艺,现有传感器无法满足检测对灵敏度、响应范围、生物相容性的综合需求。导电凝胶结构具有良好的延展性、高力学灵敏性和环境适应性,为构筑新一代高性能柔性力学传感器提供了可能。本论文选用天然聚合物蚕丝制备丝素蛋白凝胶薄膜作为柔性基底,在其中填充二维纳米材料石墨烯作为导电单元,开发柔性可降解应变传感器和压力传感器,并探索其对人体微弱生理信号和大范围肢体运动的监测性能。具体研究内容如下: （1）丝素蛋白/石墨烯复合凝胶薄膜的制备及表征 利用溴化锂溶液将丝素蛋白溶解,引入石墨烯,借助表面官能团之间的相互作用,提升丝素蛋白二级结构的力学性能。加入1,4-丁二醇二缩水甘油醚（BDDE）进一步增加丝素蛋白的交联反应,将混合溶液固化制备丝素蛋白/石墨烯复合凝胶结构;通过电镜技术和拉曼光谱表征凝胶薄膜的形貌结构和化学组成,并对其力学拉伸性能进行测试和分析,评估其制备柔性力学传感器的能力;探索复合凝胶薄膜的可降解性能,研究不同溶液类型和浓度对降解能力的影响。 （2）基于丝素蛋白/石墨烯复合凝胶薄膜应变传感器的性能测试及应用 探究丝素蛋白/石墨烯复合凝胶薄膜力学传感器在受到应变时的传感原理,分析应变过程中导电单元的形态变化;利用拉伸检测平台分别测试复合凝胶薄膜应变传感器的关键参数指标,包括线性度、可逆变换性、灵敏度和响应时间等,并研究其频率特性和稳定性,结果表明,应变传感器呈分段线性响应模式,40%应变范围内的灵敏度系数（gauge factor,GF）值为0.307,高于40%应变时GF值为0.237;最后对人体手指、手腕、手肘、膝关节等部位的运动信号,以及胸腔在呼吸时的扩张和收缩进行监测,评估该应变传感器对大范围肢体运动的捕捉和监测性能。 （3）基于丝素蛋白/石墨烯复合凝胶薄膜压力传感器的性能测试及应用 为实现丝素蛋白/石墨烯复合凝胶薄膜对人体微弱生理信号的精准探测,进一步优化组分浓度以及透析时间,组装柔性压力传感器,并探究其压力刺激下的工作机制;测试压力传感器的灵敏度、响应时间、频率特性和稳定性,结果显示该传感器具有较大的压力检测范围,监测下限低至100 Pa,在100 Pa～100 k Pa区间GF高达0.4 k Pa-1,100k Pa～500 k Pa区间GF为0.1 k Pa-1,呈现分段线性响应模式;此外,将此丝素蛋白/石墨烯复合凝胶薄膜压力传感器用于对人体脉搏、发声等微弱压力信号进行检测,展现出优异的性能和应用潜力;通过将多个柔性压力传感器集成到手套关节区域,并与数据读取器件（Arduino）、数据分析模块（神经网络）结合,开发高精度手势识别系统,预测准确率高达80%。

关键词： 石墨烯   化学气相沉积   金属邻近催化   场发射特性  

摘要： 石墨烯是碳原子通过sp杂化的方式连接而成的一种二维材料,其厚度只有0.335 nm,于2004年首次从石墨中分离出石墨烯,由于其独特的二维结构,引发了人们的研究热潮。通过化学气相沉积法(CVD法)可以生长出大面积连续的高质量石墨烯薄膜,比较适合石墨烯在电子学领域的应用。但是CVD法往往以金属为衬底作为催化剂生长石墨烯,在制造石墨烯器件时由于金属作为导体会导致短路,因此需要将生长后的石墨烯转移至半导体或绝缘衬底上,而转移过程极易造成石墨烯的褶皱、损伤。此外,在电子学应用中,为了使石墨烯具有器件所需的尺寸和图形,往往需要在生长后对石墨烯进行光刻,从而导致光刻胶对石墨烯的污染。面临石墨烯生长后的转移和制造石墨烯器件时光刻胶污染的问题,石墨烯的图形化直接生长一直是领域内前沿研究。本论文基于金属邻近催化效应采用常压化学气相沉积法(APCVD)在Si O/Si基底直接生长图形化石墨烯,分别使用铜、钴、镍三种金属作为催化剂,制备了不同图案的石墨烯薄膜,探索了生长温度、生长时间、气体流量对石墨烯生长的影响,得到了通过常压CVD法在Si O衬底生长图形化石墨烯的最佳工艺条件,该条件下的石墨烯应变值较小,比较平整。通过实验探究结合理论分析得出了金属邻近催化作用机理:金属邻近催化生长石墨烯是基于碳原子的表面扩散机制。实现图形化石墨烯的免转移生长有助于解决在制作石墨烯器件时面临的宏量转移和碳基光刻的问题,然而面向石墨烯在电子学领域的应用,二维平面石墨烯不能展现出石墨烯的边缘,三维垂直石墨烯直立于衬底的特殊结构暴露了大量的石墨烯边缘,以此作为电子发射点,使石墨烯在高性能场发射器件领域具有重要的应用价值,因此本文采用射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)技术在铜箔上生长了三维垂直石墨烯,探究了垂直石墨烯的场发射特性与其形貌特征、生长质量和密度的关系,并得到了低至0.29 V/μm的开启电场。

关键词： 分子动力学   机器学习   剪纸技术   拉胀行为   石墨烯   负泊松比  

摘要： 剪纸技术是一种可调控材料性能的方法,通过引入不同的几何构型使普通传统材料成为具有特定性能的机械超材料。特定的剪裁图案将会使石墨烯呈现出罕见的负泊松比现象,即拉胀行为,这为石墨烯的在柔弹性电子器件等领域的应用提供了一种可参考方案。然而,目前有关石墨烯剪纸结构的设计还处于起步阶段,尚未充分弄清剪纸图案结构参数对石墨烯剪纸力学性能的影响规律。因此,本文构建了穿孔型和内凹多边形型两类石墨烯剪纸,采用分子动力学方法研究了其面内拉胀行为及产生负泊松比的机制,并借助机器学习算法来分析预测剪纸结构参数对石墨烯负泊松比的影响规律,从而达到减小计算成本和缩短结构设计的目的。本文的研究工作如下:1、研究了4种不同穿孔型(矩形、菱形、椭圆形和花生形)石墨烯剪纸的拉胀行为以及穿孔几何参数对泊松比的影响规律。研究表明,矩形和菱形穿孔石墨烯剪纸都能产生拉胀行为,其产生机制是由于穿孔空隙的存在导致旋转单元发生旋转,并伴随一定的面外变形。当穿孔纵横比AR增大时,剪纸的拉胀性能提高,当穿孔间距比IS增大时,剪纸的拉胀性能降低。通过多层感知机算法的预测结果表明,穿孔间距比IS对模拟结果影响更大,通过调节建模参数可以有效调控材料的力学性能。通过对比在同种机制下不同穿孔形状对拉胀性能的影响发现,无论是相同的建模参数还是相同的孔隙率,矩形穿孔石墨烯剪纸的拉胀性能最强,而花生型穿孔石墨烯的拉胀性能最弱。2、研究了双箭头型和内凹六边形石墨烯剪纸的拉胀行为以及剪纸几何参数对剪纸拉胀性能的影响规律。研究表明,两种类型石墨烯剪纸的拉胀效应源于在拉伸过程中作用在斜肋上的拉力不在同一作用线上,从而会产生力矩,使斜肋发生弯曲变形。同时,石墨烯剪纸的面外变形减弱拉胀行为。对于内凹剪纸模型,影响其结构拉胀行为的因素主要是斜肋的长度和壁厚。当斜肋长度增加时,拉伸过程中的弯曲程度也随之增加,并且相应的拉胀行为也会增大;当壁厚增加时,在拉伸过程中就会阻止斜肋发生弯曲,导致拉胀行为减弱。同时真实值与预测值的对比结果也说明了神经网络算法可以实现对目标值的准确预测,通过参数值可以快速得出模拟结果。

关键词： 微生物腐蚀   氧化石墨烯   抑菌   防腐  

摘要： 微生物腐蚀严重威胁着能源装备材料的服役安全,具有极大的安全隐患。目前,现场采用杀菌剂和机械清管结合的办法来缓解微生物腐蚀,但长期使用杀菌剂会导致细菌产生耐药性,还对人类健康和环境都有巨大的危害。因此,本课题以L245碳钢和硫酸盐还原菌(Sulfate reducing bacteria,SRB)、腐生菌(Total general bacteria,TGB)为研究对象,研究了氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)和还原氧化石墨烯(Reduced graphene oxide,rGO)的杀菌作用。本文探究了GO、rGO与SRB、TGB的相互作用,研究GO、rGO对SRB、TGB在碳钢上腐蚀行为的影响规律,揭示GO、rGO缓解SRB、TGB在碳钢上腐蚀的机理。取得以下主要结论: ***、rGO具有一定的杀菌作用。一方面,GO促进细胞内生成活性氧,进而对细胞结构造成伤害,同时GO被SRB还原为rGO;另一方面,GO、rGO拥有巨大的表面积,吸附大量的SRB、TGB后,通过断绝其与外界营养物质的交换影响它们的新陈代谢,致使细菌死亡。 ***、rGO在缓解微生物腐蚀方面效果显著。生物膜的荧光染色结果表明,碳钢表面固着细菌数量随着GO、rGO浓度的增加显著降低,细菌存活率明显下降。其中,在280 ppm GO、rGO作用下,碳钢的腐蚀程度最轻,点蚀深度和宽度最小,说明GO和rGO能够缓解微生物造成的碳钢腐蚀。 ***、rGO可通过抑制胞外电子转移过程来缓解SRB对碳钢的腐蚀,通过抑制生物膜的附着缓解TGB对碳钢的腐蚀。添加核黄素,促进了SRB对碳钢的腐蚀。添加GO、rGO后,阻抗增大,腐蚀电流密度减小,电子转移过程被抑制,均匀腐蚀速率下降,点蚀明显减轻。 本研究的成果对于进一步理解碳纳米材料的生物毒性,推进其在防腐方面的应用具有重要意义,为能源装备材料的防护提供了新的思路。

关键词： 苯环结构   石墨烯   粘附力   粘附能   吸附稳定性   环境pH  

摘要： 药物/污染物分子与目标载体间吸/脱附的调控对分子靶向治疗、污水净化以及吸附剂的循环利用等具有重要意义。石墨烯因其独特的物理化学性质、大的比表面积和强的靶向性而被认为是理想的目标载体。目前关于石墨烯作为目标载体的研究主要集中在石墨烯与药物/污染物分子间吸附能和吸附量的计算上面,却忽略了这其中所包含的微观力学行为及其对吸/脱附内在机制的影响。针对药物/污染物分子中普遍存在的代表性结构单元—苯环结构,本文采用实验、理论和分子动力学模拟的方法,在原子尺度上研究了苯环结构和石墨烯间吸附和脱附的力学机理,分析了溶液pH值等环境因素对吸附和脱附力学行为的影响。主要工作包括以下几个方面: 提出了苯基和石墨烯间吸附性能的实验表征方法,首次得到了单个苯基和石墨烯之间的粘附力。建立了苯分子从石墨烯表面脱附的力学模型,得到了苯分子在脱附过程中的构象变化。基于原子力显微镜测试方法,在纯水环境下对连接有大量含苯基结构的改性针尖和石墨烯基底之间的粘附力进行了定量测试。通过泊松分布方法从获得的多组粘附力中提取了单个苯基和石墨烯间的粘附力。利用基于范德华作用的势函数理论,建立了描述苯分子从石墨烯表面脱附过程的理论模型,计算得到了苯分子从石墨烯表面以不同的构象演化方式脱附时粘附能和粘附力的变化,与实验测试得到的粘附力的大小进行对照,从而预测了苯分子从石墨烯表面脱附过程中的构象变化。 基于势函数理论研究了苯分子在石墨烯表面的吸附稳定性,分析了苯分子稳定/不稳定吸附位置的演化路径,并从能量角度揭示了演化路径呈现尺寸效应的物理本质。利用基于范德华势和静电势的势函数法,计算得到了苯分子在石墨烯表面不同高度处的势能分布。根据最小势能原理给出了苯分子在石墨烯表面的相对稳定和相对不稳定吸附位置随高度的迁移路径。研究表明相对稳定和相对不稳定吸附位置随着吸附高度的降低表现出明显的尺寸效应。进一步通过将粘附能分解为范德华能和静电能进行分析发现,静电能的边缘效应是导致相对稳定和相对不稳定吸附位置的迁移路径呈现尺寸效应的主要原因。 通过分子动力学模拟研究了苯分子在石墨烯表面的动态吸附行为,结合势函数法分析了苯分子在石墨烯表面的吸附性能和吸附稳定性的尺寸效应。研究了水环境对苯分子与石墨烯间粘附能、粘附力和吸附稳定性的影响。建立了苯分子在不同尺寸石墨烯表面动态吸附的分子动力学模型,通过动态吸附模拟发现最大粘附力随石墨烯尺寸的增加而增加,最小粘附能随石墨烯尺寸的增加而减小。对范德华能和静电能的分析指出范德华能是导致粘附力和粘附能出现尺寸效应的主要原因。进行了水环境下苯分子在石墨烯表面吸附的分子动力学模拟,提取了三个吸附性能参数:最大粘附力、最小吸附能和稳定吸附位置。模拟结果表明水环境对粘附力和粘附能影响不大,但对稳定吸附位置有较大影响。指出水分子在石墨烯表面的预吸附有利于苯分子的吸附,使苯分子更易吸附到水分子的周围区域。 提出了不同环境pH下苯基与石墨烯间吸附性能的实验测量方法,测量了不同环境pH下单个苯基和石墨烯间的粘附力。同时实验定量表征了苯基和石墨烯间粘附力的边缘效应。提出了在不同环境pH下可以定量描述石墨烯表面静电势的理论模型,结合势函数法计算得到了不同环境pH下苯分子和石墨烯间的粘附力,揭示了环境pH对粘附力的影响以及粘附力呈现边缘效应的物理机制。进一步,基于分子动力学模拟研究了不同环境pH下苯分子在石墨烯表面的吸附量和脱附量。设计了不同环境pH条件下连接有苯基分子的改性针尖与石墨烯间粘附力的实验测试方法,利用泊松分布法测量了不同环境pH下单个苯基和石墨烯间的粘附力。实验结果表明苯分子与石墨烯间的粘附力随环境pH的增加而降低,且随着苯基与石墨烯边缘距离的增加而增加。理论和分子动力学研究发现,环境pH对粘附力的影响主要是通过改变石墨烯表面的静电势分布而实现的。酸性条件下苯分子和石墨烯间的静电力增加,从而导致整体粘附力的增加。碱性条件下苯分子和石墨烯间的静电力减小,从而导致整体粘附力的减小。苯分子与石墨烯边缘的距离越小,与石墨烯产生范德华作用的原子数量越少,因此范德华力减小,从而导致粘附力减小。建立了多个苯分子在石墨烯表面动态吸附和脱附的分子动力学模型,研究了不同环境pH下苯分子的吸附量和脱附量。研究表明:当环境pH≤7时,环境pH越小,吸附量越多;当环境pH>7时,环境pH越大,脱附量越多。

关键词： 石墨烯气凝胶   原位化学还原   原位化学共沉淀   电磁波吸收   机械性能  

摘要： 电子信息技术在给人类生活带来便利的同时,也伴随着电磁干扰、电磁辐射、信息泄露等一系列安全问题。迄今为止,人们在开发“薄、轻、宽、强”的电磁波吸收材料以消除电磁危害方面做了大量工作。三维（3D）网络结构被认为可以延长入射波的反射/散射路径,提高材料的吸波性能。常用三维模板譬如轻质泡沫和氧化铝制作复杂且本身没有吸波性能。若以吸波材料替代该模板,复合材料的吸波性能将进一步增强。因此,设计具有结构稳定性的3D吸波骨架结构至关重要。氧化石墨烯（GO）因其质量轻、比表面积大和可加工性等诸多独特性能而备受关注,其自组装三维结构（氧化石墨烯气凝胶GOA）可用作吸波材料3D模板,然而,GOA结构不稳定易塌陷且吸波损耗能力弱,要改进这些问题具有挑战性。因此,本论文首先提高GOA的结构强度,在保持结构稳定的同时提高其吸波性能,具体研究内容如下:（1）为了增强气凝胶机械强度,以功能化碳纳米管（FCNTs）与环氧树脂作增强材料,通过水热和冷冻干燥法制备了具有3D结构的GO/FCNTs/环氧树脂复合气凝胶（GCEA）。探讨了GO/FCNTs与环氧树脂不同配比对气凝胶的机械强度和吸波性能的影响,并找出最佳配比。结果显示,当GO/FCNTs与环氧树脂的质量比为2:1时,即GCEA-2具有优异的结构稳定性、热稳定性和机械强度,这可归因于GO与碳纳米管的π-π共价结合和与环氧树脂化学键合实现的共同增强作用。由于FCNTs的介电损耗和互联的三维结构,GCEA-2的在9.9 mm厚度下,最小RL值为-35.6d B,最大有效吸收带宽为2.64 GHz。（2）为了提高气凝胶吸波性能,通过原位化学还原法还原GCEA制备还原氧化石墨烯复合气凝胶（RGCEA）,对不同还原时间下的气凝胶的吸波性能和吸波机理进行探讨。结果表明,原位化学还原法不破坏GCEA的交联结构。由于介电损耗提高,RGCEA的吸波性能较GCEA显著提升,当填充量为5 wt%,还原时间为6 h时,RGCEA-6的RLmin达到-48.04 d B,对应厚度为2.5 mm;当厚度为2.2 mm时,EABmax为5.76 GHz。还原时间越长,在低填充率下获得的吸波性能越优异,因此可以通过调整填充率和还原时间来调控RGCEA的电磁波吸收性能。（3）为进一步调控阻抗匹配,提高电磁波吸收,通过原位化学共沉淀法制备兼具介电损耗和磁损耗能力的r GCEA@Fe3O4复合吸波材料,探究了其吸波机理和铁离子浓度对电磁波吸收性能的影响。研究发现,随着铁离子浓度的升高,Fe3O4纳米颗粒含量增加且石墨烯复合气凝胶的电磁波吸收性能先增强后减弱。由于独特的“化学镀结构”以及Fe2+作为绿色还原剂还原GCEA形成了三维导电通路,r GCEA@Fe3O4的吸波性能较GCEA显著提升,当填充率为10 wt%,铁离子浓度为3 mg/ml时,即r GCEA@Fe3O4-3具备最佳电磁波吸收性能,在12.08 GHz频率,2.5mm厚度下,RL最小值达到-58.13 d B,当厚度为2.2 mm时有效带宽最大为6.64 GHz。以高强度亲水三维石墨烯复合气凝胶为模板沉积吸波材料有望发展为多层三维吸波基体用于制备结构-功能性复合材料。

关键词： NbC-Ni金属陶瓷   石墨烯   微波烧结   力学性能   摩擦磨损性能   切削性能  

摘要： 近期的研究表明NbC-Ni金属陶瓷材料具有较好的物理和机械性能,有较大的潜力取代WC基硬质合金长期在精加工和半精加工领域中的应用,但其力学性能及耐磨性有待进一步提高,研究制备高性能NbC-Ni金属陶瓷刀具对实现切削刀具的可持续发展具有重要意义。石墨烯因其独特的结构和优异的性能被各个研究领域广泛关注,研究表明石墨烯不仅能够显著改善金属、陶瓷及其复合材料力学性能,而且可以提高材料的耐磨性。因此本文以改善NbC-Ni金属陶瓷力学性能及摩擦磨损性能为目的,在NbC-Ni金属陶瓷中掺杂多层石墨烯（MLG）,对NbC-Ni/MLG金属陶瓷复合刀具材料的设计制备、力学性能、摩擦磨损性能和切削性能等方面开展了研究,以期为NbC-Ni金属陶瓷刀具材料的开发研究提供一定参考。主要研究内容和结果如下: （1）MLG组分对NbC-Ni/MLG金属陶瓷复合刀具材料微观组织及力学性能的影响。采用微波烧结工艺制备了NbC-Ni/MLG金属陶瓷复合材料,发现添加0.75wt%MLG具有最优异的综合力学性能,其维氏硬度、断裂韧性及弯曲强度分别为1297.5 kg/mm2、18.23 MPa·m1/2和1464.5 MPa,相较于原始的NbC-Ni金属陶瓷分别提高了12.01%,38.95%和18.97%。MLG对NbC-Ni金属陶瓷的强韧化机理包括晶粒的细化,促进裂纹的桥接、大角度偏转和分支,以及石墨烯片层从基体中的拔出消耗量大量的断裂能,提高了基体的断裂韧性。 （2）NbC-Ni/MLG金属陶瓷复合刀具材料的摩擦磨损性能。通过高速往复摩擦试验研究了不同对摩材料下MLG的添加对NbC-Ni金属陶瓷摩擦磨损性能的影响。结果表明:MLG的添加不仅改善了NbC-Ni金属陶瓷的摩擦系数,并且显著降低了磨损率。MLG的减摩抗磨机理主要包括:（1）对NbC-Ni金属陶瓷晶粒的细化及基体的强韧化,减少基体的破碎剥离。（2）石墨烯片层在摩擦表面形成粘附,对基体形成良好的保护作用,减小了材料的接触和黏着磨损。（3）改善摩擦界面的热传导,减少氧化磨损。 （3）NbC-Ni/MLG金属陶瓷复合刀具材料的切削性能。采用干式切削实验研究了不同切削参数下NbC-Ni/MLG金属陶瓷复合刀具在切削45#钢的切削性能。结果表明:MLG的添加能够显著改善NbC-Ni金属陶瓷刀具的切削性能,切削力、切削温度和刀-屑摩擦系数均得到降低,刀具寿命得到提高,并且在精加工中能够改善加工表面粗糙度。改善机理主要包括MLG对NbC-Ni金属陶瓷晶粒的细化及基体的强韧化,以及石墨烯片层在刀具表面的粘附减小了刀-屑接触和摩擦,抑制了粘结磨损,同时石墨烯改善了刀具的热传导,减少了刀具的氧化磨损。