关键词： 极化转换超表面   石墨烯   天线   太赫兹   双频控制  

摘要： 随着通信速率的增加,市场对信息技术成熟发展的需求不断提高,通信天线在复杂通信环境下的高质量信息传输也变得十分重要,高频率太赫兹天线的研究范围也不断扩大,通信环境中的多参数可重构太赫兹天线种类也越来越多。其中,极化可重构太赫兹天线作为一种新的研究方向,具有可以动态调整极化方式,从而提高通信效率;改善通信环境,提高通信质量;同时实现多种功能,如通信、定位、导航等,从而提高天线的效率;通过简化结构和减少天线数量来降低生产成本。总的来说,研究极化可重构天线是为了提高天线的效率和适应性,从而满足不断变化的通信需求。为此,本文基于具有高强度、高导电性和高韧性等优异性能的石墨烯材料,将石墨烯极化转换超表面与太赫兹双频天线结合,构造出石墨烯复合结构的极化可重构太赫兹天线,并进行了详细的研究和对比,主要的内容如下:1.基于石墨烯材料和聚合物TOPAS,设计出一种太赫兹极化转换超表面(PCM)模块,通过在0 eV和0.5 eV之间调节石墨烯的化学势,可以重建 1 THz(0.76-1.02 THz)和 2.5 THz(2.43-2.6THz)波段的偏振态,分别表现出260和170GHz的宽带宽,最大带宽较于先前的报道提高44%。2.设计工作在1THz和2.5THz频段的双频天线,该天线具有良好的反射系数和电压驻波比等性能,仿真结果表明在Z轴方向具备良好的指向性和增益。3.将石墨烯PCM阵列与双频天线模块组合并调优,设计出一种组合型双频极化可重构太赫兹天线,该天线在不需改变天线物理结构的条件下,实现了圆极化和线极化两种模式之间的切换,并且工作状态可以分别在 1 THz(0.7-0.75 THz,0.96-1.04 THz)和 2.5THz(2.42-2.52THz)附近的频段内切换。此外,分别对石墨烯天线、超表面和组合结构进行了测试,以验证组件在性能上不会相互干扰。

关键词： 超级电容器   煤炭   石墨烯量子点   超微孔致密炭   炭纤维  

摘要： 超级电容器因具有功率密度高、能量密度大、使用寿命长、免维护等优势得到人们的广泛关注,其中电极材料是决定超级电容器电化学性能的重要因素之一。炭材料因具有可控的微观结构以及独特的理化性质（如高导电性、良好的电化学稳定性及机械强度等）,在储能器件中得到广泛应用。煤分子结构在分子层面与稠环芳烃特性相似,可以通过化学裁剪、掺杂改性、自组装等策略构筑具有发达孔结构、大比表面积和高活性官能团的多维度煤基功能炭材料。本文以煤为原料,利用液相氧化法制备具有小尺寸结构、边缘位点和表面官能团丰富的煤基石墨烯量子点（GQDs）,结合化学拼接、活化造孔、纳米增强、缺陷工程等策略制备了系列比表面积大、孔结构可控、活性位丰富、导电性好的煤基功能炭材料,探究其在超级电容器中的应用。主要研究内容如下: 1、针对炭材料体积能量密度不高的问题,以煤基GQDs为结构单元构筑超微孔致密炭。高温活化过程中,GQDs之间发生的化学拼接以及KOH原位活化同步完成,制备的多孔炭具有致密堆叠层状结构和内部互联多孔结构、高比表面积(1730 m2 g-1)、合适的微/介孔比和高压实密度(0.97 g cm-3)。该超微孔致密炭质量比容量和体积比容量分别高达270 F g-1和262 F cm-3。组装的器件在25 mg cm-2的高质量负载下,仍表现出高达3 F cm-2的面积比容量。 2、以煤基GQDs为碳源,探究不同碱金属氢氧化物活化剂对制备超微孔炭比表面积以及孔径分布的影响规律。实验结果表明,随着活化剂金属离子半径的增大,超微孔炭的比表面积、孔体积和孔径分布均表现出增加后减小的规律。通过测试制备样品在不同水系电解液中的电化学性能探究电解液性质和多孔炭孔结构与双电层电容性能之间的关系。含有超微孔结构的炭材料容量性能较好,但电解液离子在其中的迁移速率低,扩散阻力大,导致倍率性能不佳。此外,质量比容量和倍率性能并不随电解液水合离子半径的减小而线性增加,只有电解液离子和电极材料孔道尺寸相匹配才能获得最优的容量和倍率性能。 3、通过静电纺丝法将含有丰富含氧官能团和高结晶性的煤基GQDs引入聚丙烯腈基炭纤维内部,制备了煤基GQDs增强炭纤维。煤基GQDs在炭纤维内部构建了导电骨架,纤维之间相互交织组建了整体导电网络,同时提供了丰富的中、大孔结构。上述结构保证了纤维的高机械强度和高导电性,也为电解液离子快速传输提供了通道。将制备的煤基GQDs增强炭纤维作为自支撑超级电容器电极材料表现出优异的容量和倍率性能,在电流密度为1 A g-1时,比容量分别高达261 F g-1和240 F cm-3,在超高电流密度500 A g-1下,容量保持率高达52%。 4、为充分发挥煤基GQDs边缘结构特性,利用缺陷工程策略将煤基GQDs增强炭纤维前驱体通过水热水解剥离表面聚丙烯腈纤维层,再经高温炭化制备具有高暴露GQDs边缘位结构的高柔性炭纤维。煤基GQDs不仅保证了纤维的高机械强度和高导电性,同时量子点暴露的边缘位在改善电解液浸润性的同时提供了丰富的赝电容活性位点。将具有高暴露GQDs边缘位结构的炭纤维作为超级电容器电极材料,在26 mg cm-2的高质量负载下,具有3.95 F cm-2的高面比容量,在510m A cm-2的超高电流密度下面积比容量仍高达2.04 F cm-2。

关键词： α-T3晶格   8-Pmmn硼烯   超导异质结   无质量Dirac电子   Andreev反射   Josephson效应  

摘要： 近十多年来,单层石墨因其独特的能带结构、优异的物理性质和广阔的应用前景已经成为备受关注的研究对象。基于单层石墨的实验、理论以及器件应用的研究工作层出不穷。在基础研究方面,单层石墨中无质量Dirac电子的线性色散关系为广大科研工作者打开了相对论性凝聚态物理学的研究方向,许多奇异的物理现象相继被实验证实。在应用研究方面,单层石墨极高的电子迁移率、热导率,以及巨大的机械强度等一系列优异的物理性质,极大地推动了凝聚态物理学、材料科学等领域的发展,成为非常活跃的前沿研究方向。继单层石墨后,其他各种二维六角晶格材料相继涌现。由于这些二维材料具有与单层石墨类似的晶格结构特征,因此也可以将它们称为类石墨烯材料。最近,α-T晶格和8-Pmmn硼烯两种典型的零能隙类石墨烯材料引起了人们极大的研究兴趣。 本论文以α-T晶格和8-Pmmn硼烯为研究对象,通过求解Dirac-Bogoliubov-de Gennes方程,从理论上探究了这两种典型类石墨烯材料所构筑的超导异质结中无质量Dirac电子的输运特性。研究结果表明:（1）对于基于α-T晶格的铁磁体/绝缘体/s-波超导体（F/I/S）隧道结,在铁磁区和超导区间的Fermi波矢无失配（U=0）的情况下,当Fermi能E远大于超导能隙△(E（?）△)时,此时交换劈裂能h能够有效地抑制该F/I/S结中的微分电导;而在E=0且U（?）△的情况下,当电子激发能ε接近超导能隙（ε→△）时,此时交换劈裂能h仅在超过临界值U-ε时才能有效地抑制该F/I/S结中的微分电导;但对于较小的E,在U（?）△的情况下,当ε=E时,此时交换劈裂能h（h≤E）还可能会增大该F/I/S结中的微分电导。另外,相对于单层石墨的F/I/S结,我们的研究工作实际上还给出了当Dirac费米子的赝自旋从1/2（α=0）变化到1（α=1）时,其相应的Andreev反射和微分电导的变化及调控。（2）对于基于8-Pmmn硼烯的正常金属/s-波超导体（N/S）隧道结,在电子-空穴带间转换时会发生反常的带间Andreev回射,而在电子-空穴带内转换时会发生反常的带内镜面Andreev反射。而且,该N/S结中的电子以特定的非零入射角(φ≈±20.4°)入射时会发生完美的Andreev反射,而在垂直入射情况下相应的Andreev反射几率与Fermi能有关。另外,我们还发现能带结构的各向异性特征可能会增大基于8-Pmmn硼烯N/S结中的微分电导,而且还可能会导致基于8-Pmmn硼烯S/N/S结中显著的Josephson效应。本论文的研究结果将有助于理解二维材料的超导异质结中无质量Dirac费米子的反常输运行为,为设计新颖的无功耗或低功耗的电子学器件提供理论基础。

关键词： 微电子器件   石墨烯   聚丙烯   界面传热   分子动力学  

摘要： 随着微电子器件朝着高性能和高集成度方向快速发展，高温引起内部热失控和热损伤问题愈发严重。芯片作为微电子器件发热的核心区域，其热量的散发需要经过多层界面传递，因此，通常使用热界面材料填充界面之间的空隙提高电子器件的散热能力。聚合物因为可塑性好、绝缘性强和耐高温等特性而被广泛用做热界面材料，但其热导率较低这一缺点也成为了当前限制微电子器件散热能力提升的重要障碍。为了解决此问题，目前最常用的方法是在聚合物内部加入高导热的填料以提高其导热能力。石墨烯因为具有优异的物理性能和能够在多数聚合物中分散的特性，备受研究人员关注，将其作为填料提升聚合物整体性能的研究是当前的重要研究热点。在此背景下，本文选择石墨烯和聚丙烯为研究对象，采用分子动力学方法研究了石墨烯和聚丙烯基体结构改变对其界面热传输的影响，并探究了功能化修饰对石墨烯/聚丙烯界面热传输的调控。主要研究内容和结果如下：　　(1)建立了聚丙烯和石墨烯分子动力学模型，探讨了分子链侧基对聚丙烯构型的影响;研究了分子链规整性和密度对聚丙烯热导率的影响;分析了共价功能化（甲基、羟基以及羧基）和层数对石墨烯热导率的影响。结果表明：聚丙烯的热导率与分子链规整性和密度呈正相关;官能团的引入将降低石墨烯的热导率;石墨烯的热导率在低于三层时受层数的影响较大，之后其热导率受层数变化的影响逐渐不敏感。该工作有助于理解石墨烯和聚丙烯基体的热传输细节，为界面热传输的优化打下坚实的基础。　　(2)建立了石墨烯/聚丙烯界面传热模型，研究了聚丙烯分子链规整性和密度对界面热导的调控;明晰了石墨烯的层数对界面热导的影响;通过声子振动态密度阐明了界面热导改变的内在机制。结果表明：分子链规整性变强或聚丙烯分子密度增大具有提高界面热导的作用;界面热导随石墨烯层数的增加会降低;规整性差的分子链会加剧声子之间的碰撞，抑制石墨烯与聚丙烯的声子耦合，阻碍了界面热输运;聚丙烯密度的增大会弱化聚丙烯的低频声子，强化石墨烯/聚丙烯的界面声子耦合，从而改善界面热传输。该工作深入了解了影响界面传热的关键因素，对构建高效的界面热传输通道提供了指导。　　(3)探索了功能化修饰对石墨烯/聚丙烯界面热传输的调控。建立了非共价和共价功能化界面传热模型;共价功能化界面通过在石墨烯表面引入官能团（甲基、羟基以及羧基）建立;非共价功能化界面通过在石墨烯表明吸附功能分子（1-芘丁基、1-芘丁酸以及1-芘丁醇）建立;对比研究了非共价和共价功能化对界面热导的影响;分析了石墨烯层数对功能化修饰石墨烯/聚丙烯界面热导的影响;通过声子态密度明晰了界面热导的变化机制。结果表明功能化修饰极大地改善了界面热输运，界面热导和功能化分子的覆盖度呈正相关;非共价功能化和共价功能化均增强了石墨烯和聚丙烯之间的声子耦合度;相比于非共价功能化，共价功能化对界面热导的提升效果更好;在石墨烯表面引入甲基官能团，界面热导最高提升了48.23%;然而，在多层石墨烯界面中功能化修饰对界面热导的影响会被抑制。该工作揭示了功能化修饰对界面热传输的影响机制，有助于构筑高效石墨烯/聚丙烯界面热传输通道及其在微电子器件中热管理的应用。

关键词： 蒙脱石   石墨烯   纤维素纳米晶   智能驱动器  

摘要： 具有自我感知外部刺激(如湿度、光、磁、电、热等),且能将外部刺激转化为机械运动的智能软体驱动材料及其器件,在智能穿戴、传感器、软体机器人等多个领域中展现出广阔的应用前景。但智能驱动器的发展还面临诸多问题,如制备成本高、驱动效率低、机械稳定性差、刺激源单一等。要获得成本低廉、工艺简单、响应快速、形变度大、刺激源多样化的多功能驱动器,其材料本身性质和自身结构设计是至关重要的因素。天然矿物蒙脱石(Mt)是一种层状硅酸盐粘土矿物,具有资源丰富、环境友好、比表面积大、水化膨胀率高和成膜工艺简单等优点,在软体驱动器中具有很好的应用潜力。为了实现对驱动器制备成本的控制和性能的优化,本文选用Mt为主驱动材料,与氧化石墨烯(GO)、还原氧化石墨烯(r GO)及纤维素纳米晶(CNC)等进行复合后,以自组装的方法制备了薄膜驱动器,通过在薄膜表面构建阵列来提高薄膜形变的可控性和复杂性,研究了驱动器在湿度、溶剂、红外光等外界刺激下的响应性。具体研究内容如下:(1)利用真空抽滤法制备出以Mt为湿度活性层,有机蒙脱石(OMt)为惰性层的Mt/OMt双层膜,OMt在膜中呈梯度分布,这种独特分布解决了常见双层膜的弱界面结合问题。Mt/OMt双层膜具有良好的湿度响应性能和驱动稳定性,在相对湿度为94.26%时,弯曲角度最大可达360°,弯曲至100°所需时间为40 s,撤除刺激源后20 s内恢复原状,循环200次后仍然保持较稳定的驱动能力。此外,双层膜还具有良好的有机溶剂响应性能,在乙醇、异丙醇和四氯化碳等信号的刺激下均能发生可控的形状变化。为了使双层膜具有更复杂的形状变化,在其OMt侧表面设计了胶基阵列图案,实现了弯曲、扭曲、缠绕等复杂可控的变形。根据双层膜在湿度驱动下所显示的形变能力,设计出窗帘、鲜花、鹰爪和帐篷等具有可编程的形状变化的智能器件。(2)采用浇筑法在光栅板上制备了以GO和Mt复合材料(GM)为湿度活性层,r GO和OMt复合材料(RO)为惰性层的RO/GM双层膜。该薄膜表面具有周期性光栅图案,能够对湿度、有机溶剂和红外光等多种刺激信号产生响应,在湿度刺激下向湿度惰性层一侧弯曲,在有机溶剂和红外光刺激下则反向弯曲。比较了湿度惰性层中r GO/OMt质量比对薄膜响应性的影响,发现随着r GO/OMt比值的增大,双层膜在湿度刺激下的弯曲角度和弯曲速率逐渐增大,但是其可逆形变能力逐渐变差,当r GO/OMt比值超过3/2时,形变不能恢复。在湿度/有机溶剂或湿度/红外光交替刺激下,双层膜均呈现可逆的双向弯曲。根据RO/GM双层膜的多刺激信号响应性能,设计了智能开关、智能风车、仿生花朵、扑翼纸鹤和青蛙舌头等可编程智能驱动器。(3)采用浇筑法将CNC和Mt复合材料(CM)制备成具有胆甾型液晶结构的彩虹膜。Mt可以调控膜的颜色,随着Mt含量的增大,单层膜由蓝色转变为红色又转变为蓝色,最终变为乳白色。以亲水性好的CM单层膜为基底,浇筑了疏水性的α-氰基丙烯酸酯,制备了CM双层膜。双层膜具有良好的湿度驱动性能与显色能力,在相对湿度较高的环境中,颜色红移,向疏水侧弯曲,转移至低湿度环境中,颜色蓝移,恢复原来形状。随着Mt含量的增大,双层膜的弯曲度呈现逐渐增大的趋势,但是薄膜的颜色变淡。相对而言,当Mt含量为3%时,双层膜具有较好的综合性能,在梯度湿度刺激下,可由鲜艳的绿色转变为红色,且120 s内能够从119°弯曲至360°,27 s内恢复原来的形状,经过35次循环后仍然保持良好的驱动性能。根据CM双层膜湿度-颜色-形变一体化的特点,设计出仿生蝴蝶、章鱼和花朵等智能器件。

关键词： 超表面   太赫兹   传感器   高Q因子   高灵敏度   吸收器   石墨烯  

摘要： 太赫兹波段的电磁波具有良好的指纹光谱辨别能力,并且远远小于X射线的能量,因此,可以通过太赫兹波来获取物质的谐振特性谱线,从而建立一个数据库,以便于日后数据的采集和物质的识别。另外,太赫兹波段的电磁波具备宽带性,其在信息传输、吸收器等方面也具备潜力。超表面结构作为一种新型人为设计材料,可以根据需求来设计结构,从而得到我们想要的一些特性。超表面结构除了能够对电磁场进行局域增强之外,还能对少量样品进行检测,并且还能通过调节结构参数来对谐振频率进行调控。所以,将太赫兹波段的电磁波与超表面两者结合起来能有效提高太赫兹功能器件的相关性能。本文研究的主要内容是结构的设计与性能的提升,提出了三种太赫兹功能性器件,包括高Q因子的传感器、多波段传感器以及大带宽的吸收器,随后通过仿真软件CST Microwave Studio来进行仿真计算,并对结构设计、仿真结果、结构参数以及传感特性等进行了详细的分析,主要内容如下:1.提出了一种独特的E形结构,它可以通过调整光栅臂的位置产生不对称性破坏性地抑制偶极子辐射,从而降低辐射损耗。同时,由周期性排列的E形太赫兹超表面结构可以产生高Q因子共振。研究了这种基于超表面结构的折射率传感器的传感特性,证明了其高灵敏度的优点。2.提出了一种用于早期癌症检测的多波段太赫兹超表面生物传感器的新设计。分析了不同设计参数下的吸收光谱和偏振独立性,通过调整传感器的吸收特性,提高了传感器的性能,并给出了计算结果。研究了不同样品的折射率和厚度对传感器的影响,并从理论上计算了传感器对基底细胞、乳腺细胞、宫颈细胞及其相应癌细胞的敏感性。3.提出了一种石墨烯太赫兹超表面吸收器。首先通过谐振特性分析,发现该传感器的谐振可分为局域表面等离子体共振(LSPR)和传播表面等离子体共振(PSPR)。其次,通过优化介质层,得到了最高的吸收谱线。同时,对于石墨烯层的结构参数我们也做出了调整,通过调节尺寸结构,我们在LSPR和PSPR两个吸收峰保持最高的情况下确定了一组最优的参数。最后还研究了结构的不灵敏性和可调谐性。

关键词： 丝网印刷   石墨烯   柔性压力传感器   柔性应力传感器  

摘要： 近几年,在可穿戴设备领域,基于二维结构石墨烯的压力/应力传感器受到了密切关注。然而,低成本、大规模地制备出可以用于柔性传感器的可靠性优秀的稳定石墨烯电极仍然是一个挑战。基于此,本文通过新颖的激光直写技术,大批量制备激光诱导石墨烯（LIG）,并将其制成石墨烯印刷油墨,通过丝网印刷工艺在柔性衬底上印制任意形状的石墨烯电极,用于柔性压力传感器和柔性应力传感器中,并对两种传感器的各项性能以及实际应用展开研究。具体内容如下:首先,本文使用激光直写技术在聚酰亚胺（PI）薄膜上诱导生成大量高质量石墨烯,并将激光诱导石墨烯制成丝网印刷油墨,用于制备柔性压力/应力传感器的电极。丝网印刷技术是一种便捷、高效且成本较低的制作电极的技术。在丝网印刷工艺中,激光诱导石墨烯油墨的配比和印制图形的丝网板的目数是两个影响柔性传感器性能的关键参数。通过测试不同配比的石墨烯油墨制成的柔性传感器的性能,得出激光诱导石墨粉末、二价酸酯溶液、三元氯乙酸树脂的最佳比例为18:5:2,丝网印刷网版的最优目数为100。然后,本文使用丝网印刷工艺在聚二甲基硅氧烷（PDMS）柔性基底上印刷出叉指LIG电极与方形LIG电极,通过面对面的方式组合成柔性LIG压力传感器。通过LIG电极截面形貌表征探究了柔性压力传感器的传感机理。传感器性能测试结果表明,制得的柔性压力传感器具有较高的灵敏度(0～160 Pa内约为1.84 k Pa-1)、极低的检测极限（3.4 Pa）、较快的响应时间（约2.7 ms）和恢复时间（约4.5 ms）以及良好的耐用性（超过2000次循环）。通过实际应用测试证明了制得的柔性压力传感器在人体可穿戴设备上的应用前景。最后,本文使用丝网印刷工艺在PDMS柔性基底上印刷出长方形LIG电极,通过在其上覆盖一层PDMS薄膜的方式组合成柔性LIG应力传感器。通过LIG电极表面的形貌表征探究了柔性应力传感器的传感机理。传感器性能测试结果表明,制得的柔性应力传感器具有较高的敏感因子（应变0～13%内敏感因子为96）、较快的响应时间（0.25 s）与恢复时间（0.29s）以及较好的耐用性（超过1000次循环）。通过实际应用测试证明了制得的柔性应力传感器在人体可穿戴设备上的应用价值。本文通过丝网印刷工艺制备的LIG电极,用于柔性压力/应力传感器,表现出较高的灵敏度、较快的响应与恢复时间以及较好的耐用度,在可穿戴电子产品和个人健康监测等领域具有巨大的应用潜力。同时,本文开发的丝网印刷用石墨烯油墨,为低成本、大规模制备石墨烯图案化电极用于其他微纳器件开辟了道路。

关键词： 导热系数   电沉积   体积电阻率   导热硅脂   石墨烯  

摘要： 随着电子科技的迅猛发展,电子设备的高功率化与小型化成为一种趋势,快速散热成为核心难题。为满足散热要求,通常以硅脂作为热界面材料,并在其中添加金属类高导热填料,导致导热与绝缘性能无法兼顾。因此,制备兼具导热与绝缘性能的热界面材料显得尤为重要。本文采用电沉积法在石墨烯表面构筑金属锌纳米镀层,并通过高温氧化方法制备了石墨烯/Zn/ZnO复合结构材料,满足了高导热、高绝缘与低成本等需求。 首先,采用XRD、SEM和化学刻蚀法探究了电解液组成、电沉积时间和电沉积温度对石墨烯/Zn材料表面形貌和锌镀层厚度的影响。研究结果表明,晶核生长和晶核长大的相互竞争是导致镀层形貌和厚度变化的原因。明确了最佳电沉积工艺:以硫酸锌、聚乙二醇和十二烷基硫酸钠为电解液,电流密度为6.5 A/dm2,电沉积温度为25℃,电沉积时间为10 min。采用XRD、SEM测试和PBR理论分析了氧化温度与氧化时间对制备石墨烯/Zn/ZnO材料表面形貌及镀层氧化程度的影响,结果表明氧化温度300℃,氧化时间4 h时镀层表面形貌最平整光滑。 其次,调控球形氧化铝的粒径大小、填充量、不同粒径大小的氧化铝复配比例、硅烷偶联剂的种类及用量,制备氧化铝基硅脂,将制备的石墨烯/Zn与石墨烯/Zn/ZnO填料填充在氧化铝基硅脂中,使用导热系数测试仪、体积电阻率等仪器对硅脂进行性能测试。结果表明,将8.5 A/dm2条件下电沉积的石墨烯/Zn材料在400℃下氧化4 h,得到的石墨烯/Zn/ZnO材料与氧化铝可对硅脂的导热与绝缘起到协同作用,制备的硅脂导热率为2.055 W/（m·K）,对应体积电阻率为9.83×1015Ω·cm,这表明通过该方法我们成功制备了一款导热与绝缘性能兼备的硅脂。

关键词： 电磁屏蔽   石墨烯   环境稳定性   光/电加热   低反射  

摘要： 聚合物基导电复合材料在电磁干扰（Electromagnetic interference,EMI）屏蔽领域有广泛的应用前景,来确保电子设备的稳定运行,保护人类免受电磁辐射的伤害。在聚合物基导电复合材料内部构建高效的导电网络是设计EMI屏蔽材料的关键因素,引起了研究人员的广泛讨论。然而,在实际应用中,EMI屏蔽材料要面对多种严苛的服役环境,如何在这些条件下保持性能的稳定至关重要。具有焦耳加热、光热和导热性的EMI屏蔽材料不仅可以满足集成电子设备快速发展的需求,还可以节省资源。此外,大部分已报道的EMI屏蔽材料都是通过电磁波反射来获得高电磁干扰屏蔽效能（Electromagnetic interference shielding effectiveness,EMI SE）,会造成电磁波的二次污染。因此,本工作通过构建高效导电网络,设计出具有出色的EMI屏蔽效果、优异的焦耳加热性能和光热转换效率的多功能复合材料。并提供了一种获得高吸收、低反射EMI屏蔽材料的简便方法,在多领域内都具有广阔的应用前景。主要内容包括: （1）通过自乳化工艺和简单的辊压方法,将聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene,PTFE）微球和纤维作为“砂浆”,2D导电材料石墨烯纳米片（Graphene nanosheets,GNS）作为“砖”,构筑了具有独特“砖-砂浆”层状结构的GNS/PTFE复合膜。得益于GNS多层反射界面,在GNS填充量为50 wt.%时,复合膜显示出50.85 dB的高EMI SE。由于GNS和PTFE的化学稳定性,在恶劣的条件（强酸碱、极寒极热等）下复合膜展现出优异的EMI屏蔽性能。此外,GNS良好的耐火性使该材料具备了出色的阻燃能力。 （2）探究了GNS/PTFE复合膜的导热能力和作为光/电加热器的可行性。由于压力迫使GNS排列取向,拓宽了声子/电子的传输通道,GNS/PTFE复合膜具有16.54W/（m·K）的高热导率。复合膜的高电导率赋予复合膜良好的电热性能,在5 V下最高可达137℃。此外,GNS出色的光热转换能力使复合膜展现出作为光加热器（100mW/cm3的光照强度下最高可达60.91℃）的潜力。 （3）为解决电磁波的二次污染问题,引入表面有丰富孔隙的MNO@C纳米片作为微波吸收填料,对电磁波进行反射和散射。在GNS/PTFE复合膜（反射层）表面覆盖一层MNO@C/PTFE复合膜（吸收层）,在吸收层和反射层的协同作用下,电磁波在材料内部形成了“吸收-反射-再吸收”的过程。整体EMI SE保持在44.57 dB,反射系数R值下降至0.42。

关键词： 钛基复合材料   石墨烯   放电等离子烧结   力学性能   微观结构  

摘要： 石墨烯等碳纳米材料具有优异的力学性能,如高弹性模量(1 TPa)和高断裂强度(130 GPa),被认为是钛及其合金的有效增强材料之一。粉末冶金元素混合法(BEPM)由于能显著降低钛合金制备成本而在研究和生产中得到越来越广泛的关注。然而,目前关于BEPM制备钛基复合材料的报道较少,主要由于其制备工艺复杂且烧结组织中存在大量的残余孔隙,限制了 BEPM在钛基复合材料中的进一步应用。因此,为了获得低成本和高强度的TiC/Ti-6Al-4V复合材料,本文以Ti粉和Al-V中间合金粉末为基体合金前驱体,以纳米石墨烯为增强相TiC前驱体材料,通过元素粉末混合制备复合粉末,随后通过原位等离子烧结制备TiC/Ti-6Al-4V复合材料,并通过热变形加工技术来优化组织和提高力学性能。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、电子背散射衍射(EBSD)表征所制备复合材料的粉末形貌、物相组成、微观结构、断口形貌等,利用电子万能试验机、维式硬度仪分别测试了复合材料的拉伸性能及硬度,最后对复合材料强化机制进行讨论。主要获得以下结论: 以球形Ti粉、Al-V中间合金粉末为原料,研究了 Ti-6A1-4V合金的制备工艺。研究结果表明:随着烧结温度的提高,晶粒尺寸明显增大。当烧结温度为1050℃时,制备的Ti-6A1-4V合金为典型的层状魏氏组织且晶粒尺寸最小。球磨方式改进后,在Ar保护气氛下球磨得到的Ti-6Al-4V混合粉末,经烧结后合金的总断裂延伸率具有显著的提升(由1.3%上升到14.2%),归因于球磨方式的改进有效控制了氧含量的增高。 以球形Ti粉、Al-V中间合金粉末为前驱体,研究了石墨烯含量对合成TiC/Ti-6Al-4V复合材料烧结态及轧制态组织和力学性能的影响。结果表明:随着石墨烯含量的增加,复合材料的晶粒尺寸显著减小。仅仅通过简单的球磨和烧结制备工艺,复合材料就表现出优异的力学性能,当石墨烯的添加量为0.1 wt.%时,复合材料烧结态的屈服强度(YS)和极限抗拉强度(UTS)分别为1028.4 MPa和1121.6 MPa,相比基体分别提高14.4%和13.5%,并且延伸率保持在～9.8%。复合材料烧结态力学性能的提高归因于晶粒细化、次生α相析出强化和位错强化。 以氢化脱氢(HDH)-Ti粉、Al-V中间合金粉末为前驱体,研究了石墨烯含量对合成更具成本效益的TiC/Ti-6Al-4V复合材料烧结态及轧制态组织和力学性能的影响。通过不同原始粉末BEPM制备Ti-6Al-4V合金和TiC/Ti-6Al-4V复合材料组织特征及性能的对比,发现以HDH-Ti粉为前驱体制备的Ti-6Al-4V合金抗拉强度为1062.2 MPa,相比球形Ti粉制备的Ti-6Al-4V合金(988.3 MPa)提高了 7.5%,归因于组织中的α相多呈针状析出,α/β相界增多。随着石墨烯的加入,以球形Ti粉制备的复合材料组织和力学性能更具潜力,这归因于基体粉末流动性较好,石墨烯等碳纳米材料在球磨过程中更易分散均匀。 由此可见,通过球磨和烧结工艺,元素混合法制备的钛基复合材料呈现出良好的组织和力学性能,石墨烯纳米碳源的引入导致轧制态复合材料沿{0001}[1120]型基面滑移被显著激活,能够进一步改善复合材料沿轧制方向(RD)的力学性能。