关键词： 溶剂热法   金属氧化物   石墨烯   电化学性能   锂硫电池  

摘要： 锂硫电池因其高能量密度和硫具有高理论比容量作为下一代有前景的储能设备之一,然而单质硫及产物LiS的电子绝缘特性、硫的体积形变效应和多硫化物穿梭效应等问题,造成活性物质硫利用率低,循环寿命短及低库伦效率,限制锂硫电池的商业化应用。本文制备钒氧化物作为锂硫电池正极,解决多硫化物穿梭问题,提升电池的循环稳定性。本文合成了VO中空微球、VO纳米片、VO纳米片与VO纳米棒与高导电性碳材料复合,构筑了多种钒氧化物(14)碳材料电极。密度泛函理论(DFT)计算了钒氧化物、碳材料与多硫化物的结合能。研究了钒氧化物(14)碳材料的微观组成,系统分析了不同电极结构的电化学阻抗、循环伏安、循环性能、倍率性能、吸附性能和性能提升机理。主要内容与结果如下:(1)采用溶剂热法合成中空VO微球(VO microspheres,VO)及氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)包覆S@VO,形成双层核壳结构的S@VO@GO复合材料。VO微球的中空结构将硫束缚在微球里面,减缓硫的体积形变并束缚多硫化物。同时,VO提供吸附多硫化物的活性位点。氧化石墨烯表面的含氧官能团锚定多硫化物,进一步利用氧化石墨烯的二维平面结构为电极提供离子-电子导电网络。S@VO@GO复合材料在0.1 C下循环100次后的容量达到895.7 m Ah/g,容量保持率为69%,在1 C下循环200次后,容量保持率高达97%。(2)针对容量保持率问题,构建VO纳米片(VOnanosheets,VO)和碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)复合材料作为硫宿主材料。VO(001)晶面与LiS、LiS、LiS的结合能依次为7.09,5.53,4.67 e V,碳纳米管与LiS、LiS、LiS的结合能依次为0.45,0.55,0.49 e V。与碳纳米管相比,VO对多硫化物具有强吸附能,碳纳米管的高比表面积和连续导电网络与极性VO的强化学吸附作用相结合,提供了丰富的活性位点,缩短了电子传输路径。S-VO-CNTs电极在0.1 C时循环100次后容量保持率为72.6%,在1 C下循环200次后,容量保持率为100%。(3)针对硫含量(大于70 wt%)和长期循环稳定性的问题,采用溶剂热法制备原位自组装VO纳米片-还原氧化石墨烯气凝胶(VO nanosheets-reduced graphene oxide aerogel,VO-r GA)复合材料作为硫宿主材料。极性VO可以有效地锚定多硫化物,加速了长链多硫化物向短链LiS/LiS产物的转变,从而缓解多硫化物的穿梭,另外,r GA的引入增加硫电极的导电性并且有效缓解循环过程中硫的体积膨胀,显着增强电化学反应动力学,表现出优异的循环性能。硫含量为75.4 wt%的S-VO-r GA-c复合材料在0.1 C时循环100次后容量保持在861 m Ah/g,容量保持率为78.7%;在1 C时循环1000次后具有83%的高容量保持率。(4)针对硫面载量(≥2 mg/cm)的问题,采用一步溶剂热法制备三维互联交织的VO纳米棒(VO nanorods,VO)-CNTs复合材料作为锂硫电池正极储硫载体。VO(110)晶面与LiS、LiS、LiS的结合能依次为2.90,4.04,2.62 e V;碳纳米管与LiS、LiS、LiS的结合能依次为0.45,0.55,0.49 e V,与碳纳米管相比,VO对多硫化物具有强结合能。VO通过极性表面的化学作用加速多硫化物(Li PSs)的吸附和催化转化的能力;具有高导电率的碳纳米管可以进一步加速Li PSs在充放电过程中的电催化过程,表现出优异的电化学性能。硫面载量为2 mg/cm的S-VO-CNTs电极在0.1 C时循环100次的容量保持率为75.9%。(5)为了进一步提高大倍率性能,采用溶剂热法≥制备VO,与石墨烯复合构建三维网络结构,VO不仅表现出对多硫化物的化学吸附,而且还催化了多硫化物转化。VO(110)晶面与LiS、LiS、LiS的结合能依次为2.90,4.04,2.62 e V,石墨烯与LiS、LiS、LiS的结合能依次为0.56,0.48,0.58e V,VO的吸附能大于石墨烯。VO与石墨烯的结合,实现了对多硫化物的物理限制,化学吸附/催化的协同效应。另外,石墨烯的褶皱可以增加材料比表面积,加快电化学反应动力学。电化学性能测试表明合成的S-VO-G电极材料表现出良好的性能。硫含量为70.4 wt%的S-VO-G电极在0.1 C时循环100次容量保持率为89%,在2 C下,500次循环后的容量衰减率为0.079%。

关键词： 纳米晶   配体包覆   气敏性能   抗湿性能   载流子传输  

摘要： 工业烟囱和城市交通等污染源排放出的废气已经成为严重威胁人们健康的问题。空气中的污染物包括臭氧（O）、一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO）、总悬浮颗粒物和可吸入颗粒物等。长期吸入过量的二氧化氮会严重影响呼吸系统和心脑血管系统,导致咳嗽、全身神经衰弱等症状。此外,空气中长期存在的二氧化氮还会引起酸雨,对土地造成严重危害。因此,开发一种能够检测各种有害气体的气敏传感器十分必要。过渡金属氧化物半导体在有害气体检测领域应用广泛,因为它们具有低毒性、不易污染、合成方法简单以及高耐用性等优点。然而,通常采用水热法制备的金属氧化物尺寸较大,催化吸附点位较少,二氧化氮气敏性能有待提高。本文介绍了一种可控构筑小尺寸、单分散钴（锰）氧化物纳米晶的方法,并采用后注入石墨烯溶液的方法得到其复合物。最后,对该复合物的NO气敏性能进行了系统研究,并探究了提高其气敏性能的内在机制。本论文首先采用胶体溶液法,以硬脂酸钴Co（st）为原料,分别以十二醇和十八醇为活化剂,可控制备了Y型CoO纳米晶和点状CoO纳米晶。两种醇的酯化反应会产生不同链长的酯,不同链长度的酯包裹着纳米晶会产生不同的空间限域,因此会产生两种不同的形貌（Y型和点状）。在100 ppm NO的条件下,Y型CoO纳米晶复合75 mg rGO的性能最佳,响应值S为39.42,是纯Y型CoO纳米晶的4倍。在5 ppm的NO浓度下,连续暴露12个周期,响应值不发生改变。相比于其他气体,对于NO气体的选择性最高。在复合同等含量石墨烯的条件下,Y型CoO纳米晶的性能要优于点状CoO纳米晶,主要是由于Y型CoO纳米晶暴露更多的活性位点且利于发生载流子的传输。Y型CoO纳米晶表面有大量的高疏水性的硬脂酸根配体,可以用于高湿度环境下NO气体的检测。接着,我们使用硬脂酸锰Mn（st）作为原料,以十二醇为活化剂采用胶体溶液法制备MnO纳米晶。在反应时间1 min和5 min时,可以分别得到点状和三角形两种形态的MnO纳米晶。当复合75 mg rGO且NO浓度为100 ppm时,三角形MnO/rGO复合材料的性能优于点状MnO/rGO复合材料,其响应值S为45.4,约为纯三角形MnO纳米晶的3倍。同时其检测极限为0.01 ppm,选择性、重现性和稳定性都十分突出。连续9周暴露于100 ppm的NO中,响应值S仍稳定在45.4左右。这是由于三角形MnO纳米晶表面的氧缺陷含量较高、纳米晶粒径较小且表面有大量的吸附活性位点,这些位点可与NO分子发生反应;同时,rGO提供了载流子快速传输的通道。

关键词： 石墨烯增强   有效介质理论   振动   屈曲   介电特性  

摘要： 先进材料是科技进步的先导和载体,石墨烯增强功能梯度介电材料是顺应当代迅猛发展的科技对工程材料性能-功能-智能一体化需求的新型先进材料。石墨烯的加入极大地提高了介电材料的力学、电学和热学性能,也克服了传统层合智能复合材料界面不连续而导致的脱层、开裂以及高温环境中的热应力集中等问题,兼具可设计性和智能可控性等诸多优点。力学行为研究是该复合材料应用时安全与设计、功能与优化、智能与控制中的关键性问题。本论文选择工程中广泛应用的圆板为结构,研究石墨烯增强功能梯度介电圆板的振动和屈曲特性。首先考虑材料的梯度特性、介电特性、石墨烯与基体材料的不完美结合、界面电子隧道、麦克斯韦-瓦格纳-西拉(MWS)极化以及复合材料的渗流阈值等多种复杂因素,基于有效介质理论(EMT)和线性混合率模型得到该复合材料圆板的等效物性参数。其次基于经典板理论,研究该板的自由振动和屈曲特性,分别通过Hamilton原理和虚功原理推导获得圆板振动和屈曲的控制微分方程,并利用微分求积法数值求解获得无量纲固有频率和屈曲临界载荷的定量结果。最后对数值结果展开详细讨论,分析了石墨烯的体积分数和几何尺寸、梯度分布模式、渗流阈值、介电常数以及梯度斜率因子、相间层的厚度变化等因素对该圆板固有频率和临界载荷的影响。揭示了石墨烯的分布模式和体积分数以及外载荷、控制电压、结构几何等参数对固有频率和临界载荷的影响特性。结果表明,通过改变石墨烯的分布参数或外加控制电压的属性可以主动调节板的振动和屈曲特性,FG-X模型下的该复合材料圆板的振动和屈曲特性最好。论文研究成果给出该复合材料结构自由振动和屈曲特性的主要影响因素,可为复杂环境下一类智能结构主动控制、优化设计与动力学及稳定性分析提供理论参考。

关键词： 电芬顿   印染废水   气体扩散电极   石墨烯   罗丹明B  

摘要： 印染废水是我国难降解有机工业废水的主要来源之一,具有成分复杂、色度高、难生物降解等特点,排入水体后会对人体健康和生态环境安全造成危害。电芬顿是一种针对难降解有机污染物的新兴水处理技术,在电流作用下阴极上原位生成H2O2,H2O2在Fe2+催化下产生强氧化性羟基自由基（·OH）快速降解有机物,相比传统芬顿法具有高效、绿色、安全等优势。然而,电芬顿技术在实际应用中普遍存在氧传质效率受限、阴极H2O2产量不足从而限制氧化还原反应速率进一步提升的问题,阻碍了该技术在难降解有机废水处理中的高效应用。论文制备了具有高效催化性能的石墨烯气体扩散电极（GDE）,以大幅提升电芬顿体系中H2O2产量,同时设计了该电极在防水曝气模式下的电芬顿反应系统。通过试验研究,考察了所构建的电芬顿系统在不同条件下对模拟印染废水的去除效果、影响因素和反应机制,探讨了最佳反应控制条件、电极重复使用的稳定性、对不同有机染料去除的普适性,以期为电芬顿高效电极的开发和促进电芬顿技术在印染废水处理中的应用提供一定的参考。论文研究用氧化还原法制备石墨烯电极材料,通过TEM、XRD、XPS、Raman等测试表征方法对制备的石墨烯进行形貌结构观察和化学组成分析,结果显示氧化石墨烯已被成功还原脱氧为结构有序度良好的石墨烯材料。用此石墨烯材料制备电芬顿阴极,通过优化电极制备参数实验,得到石墨烯气体扩散电极的最佳制备参数为:500目不锈钢丝网作电极支撑体、聚四氟乙烯与碳材料质量比（PTFE∶C）为1∶1、石墨烯与炭黑质量比（r GO∶CB）为1∶5。设计了防水曝气装置以改进电芬顿反应体系的传统曝气模式,通过试验研究考察防水曝气模式石墨烯气体扩散电极电芬顿反应系统在不同反应控制条件下对罗丹明B模拟印染废水的去除效果,并探究所构建的电芬顿反应系统的性能优势和反应机制,研究所得主要结果如下:（1）初始pH、Fe2+浓度、电解质浓度、曝气速率和电流密度是影响防水曝气模式下气体扩散电极对罗丹明B染料废水去除效果的主要因素。其中,初始p H和Fe2+浓度能显著地影响罗丹明B脱色率、脱色快慢和TOC矿化率。而电解质浓度、曝气速率和电流密度对罗丹明B最终脱色率无显著影响,但对脱色快慢有明显影响。电芬顿反应系统去除罗丹明B的最优工况为:电解质Na2SO4浓度0.075 mol/L,曝气速率2.4 L/min,初始p H为3.1,Fe2+浓度0.3 mmol/L,电流密度10 m A/cm2。在最优工况下罗丹明B的90 min脱色率达到99%,TOC矿化率达到60.06%。（2）掺杂石墨烯和采用防水曝气模式均能有效促进电芬顿系统中H2O2的生成和罗丹明B的去除。传统曝气模式下石墨烯气体扩散电极构建的电芬顿系统90min的H2O2产量相较同条件下的常规不锈钢电极和碳毡电极高出64.4%和35.0%;TOC去除率相较不锈钢和碳毡电极分别提升了16.91%和11.25%。防水曝气模式能有效促进电极表面的O2传质效果,增强电极表面氧化还原反应活性从而提高H2O2产量和罗丹明B去除效果。相同电芬顿反应条件下,防水曝气模式相较传统曝气模式石墨烯气体扩散电极的H2O2产量提升了68.6%,TOC矿化率提升了5.15%。（3）所制备的石墨烯气体扩散电极具有良好的稳定性、重复利用性以及一定的抗污染性能,采用稀硫酸简单酸洗可有效恢复电极的高效催化性能。电极使用9次后罗丹明B的脱色率、TOC矿化率仍然分别保持在95%、50%以上;使用9次后的电极经过酸洗,罗丹明B脱色率和矿化率分别提升至99%和57%以上。（4）所构建的防水曝气模式石墨烯气体扩散电极电芬顿系统对多种典型有机染料的去除均具有良好的普适性。反应90 min后染料罗丹明B、亚甲基蓝、甲基橙的脱色率均能达到99%,TOC矿化率均在50%以上。自由基淬灭实验结果表明,所构建的电芬顿反应体系有Fe2+存在时,·OH自由基是对有机染料分子氧化作用起到最主要贡献的高活性自由基,1O2的氧化作用次之;反应体系不存在Fe2+时,1O2和·O2-则是对有机染料分子氧化起到主要贡献的自由基。

关键词： 氧化铜   纳米银   石墨烯   电极材料   传感器/超级电容器  

摘要： 生命安全检测和社会能源危机是当今世界亟待解决的问题,用于电化学传感器和超级电容器的电极材料引起了众多研究人员的关注。氧化铜作为最常见的过渡金属氧化物,因其成本低、毒性低、催化性强,被用作为化学反应催化剂和电极活性材料。而银具有亲电性、亲核性,是导电性最理想的贵金属。又,石墨烯作为其它纳米粒子的载体,能有效提高整个电极活性材料的比表面积,还可解决裸纳米颗粒容易团聚的问题。基于此,研究合成了具有多种结构的纳米复合材料,并将它们分别用作电化学传感器或超级电容器电极的改性材料。本文具体研究工作如下:1、通过静电纺丝和煅烧过程制备了蜂窝状Ag@CuO纳米复合材料。表征显示,Ag纳米粒子均匀负载在Cu O颗粒表面,两者紧密附着,形成独特的蜂窝状结构。随后将其用于修饰碳糊电极,构建了高灵敏度、宽检出限HO传感器。校正曲线计算,该传感器具有超高灵敏度1982.14μA.m ***和最低检出限0.01μmol.L,线性响应范围为0.05～100μmol.L和100～1500μmol.L两段,并可直接用于实际样品的测定。2、通过调节乙酸铜的用量和外部环境条件,制备了CuO@rGO纳米复合材料。单晶Cu O层压形成中空的花瓣状结构,并伴随有CuO产物生成,排列在r GO的内外层。基于材料本身的特殊排列和叠加以及石墨烯的大比表面积、负载性和高导电率,对电解质的接触面积和扩散距离有很大的改善。Cu O@r GO在电流密度为2.5m ***时,比容量达到了1392F.g,充放电共循环3000次仍能保持在最高容量的88.76%以上,表现出良好的倍率特性和循环稳定性。3、以AgNO、Cu(NO)和NaOH为原料,CTAB为模板,通过原位沉淀-水热法,结合高温煅烧工艺制备了Ag@Cu O@r GO纳米复合材料。TEM发现制备的产物出现了混合结构,Cu O包裹住Ag纳米粒子形成核-壳结构,晶体颗粒排列相似形成冰糖块结构,并被r GO紧密包裹。测试表明,在2.5m ***的电流密度下具有高达1453F.g的比电容;高扫速下电容具有良好稳定性:74.9%;比电容保留率:75.7%;大电流充放电循环3000次后保持在87.36%。通过对微结构的改进并引入Ag进一步提高了比电容,拓展了工作电流范围。

关键词： 钠钙玻璃   纳米压痕   塑性变形   纳米划痕   石墨烯  

摘要： 钠钙玻璃广泛应用于建筑、医疗、光伏、仪器仪表、核工程等领域,在制造、运输、安装和使用过程中,玻璃表面不可避免地会面临压痕、摩擦/剪切和磨损等物理接触,导致玻璃材料的表面和亚表面损伤,从而影响其力学性能和摩擦学性能。许多研究通过热强化（钢化或淬火）和化学强化（离子交换）在玻璃表面形成高压应力的表面层,从而改善玻璃材料的机械和化学性能。但在划痕试验中,经过热强化的玻璃耐划痕性较低,切屑较多。并且经过离子交换后的玻璃在潮湿空气中的机械化学磨损并没有增强。在本学位论文研究中,通过纳米压痕和维氏压痕测试,研究石墨烯对钠钙玻璃（soda-lime-glass,SLG）表面机械性能的影响和石墨烯增强钠钙玻璃抵抗变形能力的作用机理。基于纳米划痕测试和退火等实验手段研究石墨烯对钠钙玻璃表面及其亚表面在摩擦剪切作用下变形的影响机制,进而揭示石墨烯对钠钙玻璃表面变形及亚表面损伤的影响机理。基于上述研究,本论文的主要结论如下:（1）通过维氏压痕试验研究了两种不同玻璃表面的力学性能,研究发现,SLG和G/SLG（graphene/soda-lime-glass）玻璃表面的维氏硬度均没有载荷依赖性,相比于SLG玻璃表面,G/SLG玻璃表面的维氏硬度略高,裂纹萌生概率更低,断裂韧性增加。G/SLG玻璃裂纹萌生概率的降低表明石墨烯薄膜在一定程度上阻碍了裂纹径向扩展。而在微观条件下,单层石墨烯增强钠钙玻璃表面的力学性能比宏观条件下更加明显,在相同的法向载荷下,G/SLG玻璃表面的硬度和弹性模量优于SLG玻璃表面。与SLG玻璃相比,G/SLG玻璃的塑性变形略有减小。研究表明,G/SLG玻璃表面可以通过弹性过程吸收更多的应变能。因此,G/SLG玻璃在纳米压痕过程中耗散的弹性能占总变形能的比例更高。（2）通过纳米划痕实验研究了单层石墨烯对钠钙玻璃表面的摩擦学行为。在给定条件下,G/SLG玻璃的磨损量比SLG玻璃降低约30%～44%,而堆积高度增加约33%～46%。通过修正的Arrhenius动力学模型得出,G/SLG和SLG玻璃的激活体积分别为58.56?3和65.05?3,G/SLG玻璃较低的激活体积和摩擦力是机械化学磨损量低于SLG玻璃的主要原因。此外,结合退火定量的分析了纳米压痕和纳米划痕的亚表面变形行为。G/SLG玻璃退火后的回复率（～56%）比SLG玻璃（～64%）低。研究表明,扩散到亚表面的剪应力是钠钙玻璃亚表面致密化的直接原因。由于单层石墨烯可以促进界面剪切,因此在纳米压痕测试过程中,石墨烯促进了玻璃材料沿金刚石探针侧壁的塑性流动,导致G/SLG玻璃比SLG玻璃出现更多的塑性流动。

关键词： 太赫兹   超材料   生物传感   石墨烯   动态调控  

摘要： 太赫兹(Terahertz,THz)波是位于微波和红外波之间的电磁波,处于电子学研究向光子学研究的过渡波段。THz波具有光子能量低、穿透性强、“指纹谱”等独特的性质,不会对生物物质产生任何损伤,与超材料(Metamaterials,MTMs)结合能实现高灵敏度生物检测。MTMs是由亚波长周期性结构组成的人工电磁材料,可实现局域电场增强效应和高品质因子,能对微小的环境变化表现出灵敏的频谱反应。因此,THz-MTMs传感器在生物检测领域有很大的应用潜力。此外,MTMs是一种无源器件,一旦成型其电磁性能便固定不变,这限制了 THz-MTMs在包括生物检测在内的各个领域的潜在应用。通过外部动态激励改变MTMs的电磁性能,将大大扩展其应用场景,同时动态MTMs会为生物传感应用提供更多的检测分析维度。本文针对THz-MTMs生物传感应用和石墨烯动态调控MTMs作了研究,利用MTMs生物传感器检测了胶质瘤细胞的增殖凋亡特性,使用具有较高电流开关比的石墨烯调控MTMs的光学特性并分析了其生物传感性能。本论文的主要工作如下:1.本论文提出了一种用THz-MTMs快速、无标记检测并区分胶质瘤细胞增殖和凋亡特征的方法。该生物传感器由周期性叉指电容器构成,其谐振频率f随细胞数量和状态的变化而变化。增殖细胞和凋亡细胞具有不同折射率,会对THz-MTMs产生不同的频移响应。我们首先观察并拟合出谐振频移量Δf和增殖细胞数量、凋亡细胞数量、细胞增殖率、凋亡率的关系式,然后以此为基础评估不同治疗方式对胶质瘤的疗效。这项工作为研究肿瘤细胞的增殖和凋亡特征开辟了新的频谱途径,显示了快速和无标签实现个性化肿瘤治疗的潜力。2.本论文提出了一种基于金属-石墨烯的H形MTMs结构,通过在石墨烯上施加不同的偏压来改变石墨烯电导率,实现了在THz波段的频率、幅度和相位的同步调制。理论上,MTMs的谐振频率随着石墨烯电导率的增加而红移。经测试,THz频谱变化趋势符合理论趋势,所制备出来的器件在低于1.5 V的偏压下,谐振频率和透射幅值的最大调制深度分别达到了 12.6%和100%,谐振频率231 GHz附近的绝对相位调制范围为75°。这项工作为MTMs调制技术提供了一种可行的方法,使得MTMs生物传感多维度和多频段分析成为可能。

关键词： 石墨烯   硫铝酸盐水泥   水泥复合材料   微纳米力学   强度  

摘要： 硫铝酸盐水泥作为新型绿色建筑材料,具有快硬早强、耐寒抗渗的特点,可以应用于快速抢修、冬季施工和海洋工程等工程中。石墨烯的力学强度高,具有很高的韧性和优越的电学、热学性能,应用前景广阔。本文研究石墨烯在改善硫铝酸盐水泥复合材料力学性能中的应用,研究石墨烯-硫铝酸盐水泥复合材料的制备方法,从宏观和微观两个尺度研究石墨烯对硫铝酸盐水泥力学性能的改善效果和内在机理。主要研究内容如下。(1)研究石墨烯的分散方法、配合比设计以及石墨烯-硫铝酸盐水泥复合材料的制备方法,开展抗压、抗折试验,研究石墨烯对硫铝酸盐水泥复合材料宏观力学性能的改善效果。通过扫描电子显微镜图像微观形貌分析和水化热分析,研究石墨烯改善硫铝酸盐水泥复合材料力学性能的内在机理。复合材料的宏观力学强度随石墨烯掺量的增加先增大后减小,且0.02wt%为石墨烯最佳掺量。复合样中钙矾石的生成量增多,并且没有新的水化产物生成。复合样的水化放热峰的趋势与空白样一致,复合样的第二个放热峰高于空白样,此时其水化反应速率高于空白样,复合样的总体放热量低于空白样。(2)应用纳米压痕试验研究石墨烯-硫铝酸盐水泥复合材料的纳尺度力学性能,开展物相分析。点阵法测试石墨烯改性硫铝酸盐水泥水化产物的微纳米力学强度,采用高斯混合模型绘制试样的实测弹性模量及硬度值的概率分布图,进行概率密度函数拟合,研究复合材料水化产物的生成情况。石墨烯的加入对于硫铝酸盐水泥特定物相的弹性模量及硬度值没有显著影响,复合样水化后的孔隙和低密度水化硅酸钙少于空白水泥试样,石墨烯的加入能够有效促进高密度水化硅酸钙、超高密度水化硅酸钙以及单硫型水化硅酸钙生成,从而提高复合材料的宏观力学强度。(3)应用纳米压痕试验研究石墨烯-硫铝酸盐水泥复合材料的蠕变行为,采用连续刚度测试方法,加载至一定载荷后增加一段持载时间,测试蠕变系数,研究不同水灰比、养护试件等因素对蠕变行为的影响。未加石墨烯的硫铝酸盐水泥试样养护3d时的蠕变系数C小于7d,水泥试样蠕变行为更加明显,两个养护龄期下的水泥试样表现出了相同的对数型蠕变趋势。加入石墨烯的复合样的蠕变系数C拟合结果在空白样的标准差σ-C的范围内,且蠕变系数μ-C的平均值之间的差异不超过3.05%。石墨烯的加入对硫铝酸盐水泥的蠕变行为不产生明显影响。

关键词： 自旋电子学   磁性纳米石墨烯   多体模型   扫描隧道显微镜   拓扑理论  

摘要： 碳纳米材料,由于其多样的化学结构和独特的电学、光学和磁学性能,有望成为未来机械和电子学设备的潜在材料。纳米石墨烯(Nanographene,又称为多环芳烃)就是其中的代表,纳米石墨烯是一种由单氢钝化的石墨烯碎片组成的碳纳米材料,包括石墨烯纳米带和石墨烯纳米片。由于纳米石墨烯中的每一个碳原子都有一个共轭π电子,这导致了其丰富可调的电磁学性质,并在自旋电子学中引起了极大的关注,成为了构建磁性系统,建立自旋电子体系的潜在材料。相较于传统的d/f族的磁性材料,碳基的磁性材料有以下几个优势:1.π电子的磁性具有高度的离域性和几乎可以忽略的磁各项异性,这有利于自旋信息的传递和操纵。2.它们的磁性构型,例如自旋量子数s和磁交换相互作用,强烈依赖于其边缘拓扑结构和π-电子分布,可以通过分子大小、形状和边缘结构的变化进行精确调控。其中,具有三重对称性的纳米石墨烯是一种极具吸引力的候选者,因为它不仅拥有石墨烯本身的优异电学和力学性能,而且由于其独特的对称性在磁性构建上具有天然优势,可以实现高自旋、多体模型和自旋挫折等多种磁性物态,是研究新型自旋电子学器件的理想材料。本论文主要聚焦于纳米石墨烯的π电子磁性和拓扑性质,采用了实验和计算相结合的方法进行了以下两方面的工作:(1)我们在Au(111)表面首先合成了多种具有不同边缘拓扑结构的石墨烯纳米带,并利用扫描探针技术结合计算揭示了其拓扑边界态的产生与耦合机制。通过扫描隧道谱(STS)测量表征并与紧束缚模型(Tight-binding)的计算结果进行验证,我们证明这种边缘拓扑结的耦合机制可以用两个交替耦合基元的双带紧束缚Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型来描述。我们进一步通过改变边缘拓扑结构的重复数量,合成了具有单拓扑结、二聚结和多耦合结的多种超晶格石墨烯纳米带,证实了拓扑能带隙的收敛性和拓扑能带的演化。(2)我们通过图形枚举结合紧束缚模型(TB)的方法构建了一个包含约一万个结构的磁性纳米石墨烯数据库,并利用机器学习与SHAP模型解释相结合的策略,分析了分子结构特征对其基态磁性的影响。通过结合紧束缚模型(TB),平均场Hubbard(MFH)以及密度泛函理论(DFT)计算证明,我们发现分子结构特征与分子自旋量子数s之间存在着明确的依赖关系,并基于此进一步建立了一系列简单有效的预测规则,称之为三角计数规则(TCR)。并基于该规则,进一步预测与讨论了两类具有新奇磁学性质的纳米石墨烯。