关键词： 层状双金属氢氧化物   氧化石墨烯   磷吸附   磷回收  

摘要： 随着含磷产品在各行各业的广泛应用,水体富营养化问题受到持续关注,它不仅会引起水体爆发藻华,严重地威胁饮用水的安全;同时,也将导致磷资源的白白浪费。众所周知,磷及其衍生物已成为人类日常生活和生产的必需品,而磷矿资源是不可再生的。因此,制备一种既能解决总磷超标导致的水体富营养化问题,又能实现磷的可持续回收利用的吸附材料,极具科学与社会经济价值。本文通过共沉淀的方法成功制得了一种新型的Zr-Zn-Al LDH/氧化石墨烯(Zr-Zn-Al LDH/GO)复合材料,并探讨了Zr-Zn-Al LDH/GO复合材料的自组装机理;此外,研究了Zr-Zn-Al LDH/GO复合材料的磷吸附及回收性能,深入讨论了其吸附与解吸机制。研究结果证明:当Zn、Al、Zr的摩尔浓度分别为0.6 M、0.16 M、0.04 M时,由此制得的Zr-Zn-Al LDH/GO复合材料(LDH/GO-4),在吸附动力学、吸附容量和磷去除率方面有着最佳的性能,通过XRD、SEM、XPS等表征手段证明,氧化石墨烯(GO)表面的羟基和羧基为LDH的组装提供了活性位点;同时,GO的掺入优化了LDH的结构并提升了吸附性能。LDH/GO-4复合材料的磷吸附实验证明:当吸附无机磷(IP)的投料量为0.25 g/L,p H=6时有最佳性能,草甘膦(OP)吸附在投料量1.25 g/L,p H=7时有最佳性能。LDH/GO-4对总磷的去除能达到99.95%以上,IP和OP的吸附都适用于准二级动力学模型,IP吸附适用于Langmuir模型,OP吸附适用于Freundlich模型,且LDH/GO-4对IP的最大吸附容量为37.681 mg-P/L,其性能远远超越商业锁磷剂产品Phoslock。在竞争吸附中,当其他竞争性阴离子[SO]、[NO]、[HCO]和Cl的浓度不高于5 ppm时,LDH/GO-4的IP吸附性能不受影响。LDH/GO-4的磷吸附-脱附实验证明,在0.05 M Na OH的作用下,复合材料能稳定进行5次IP吸附-脱附。通过表征手段研究5次吸附-脱附复合材料可以发现,脱附过程的进行由Ksp差异导致,脱附以后复合材料仍维持层状结构且含有大量提供吸附位点的Zn(OH),因此Zr-Zn-Al LDH/GO复合材料具有良好的工业应用前景。

关键词： 水处理   纳滤膜   氧化石墨烯   界面聚合   聚酰胺  

摘要： 膜分离具有低能耗、高灵活性、无相变等显著优势。其中,纳滤膜分离技术能够分离水中有机小分子和高价离子,广泛应用在市政水处理、印染、医药、食品加工、采矿等多个行业。传统的聚合物基纳滤膜受膜结构和材料固有性质限制,其分离性能难以获得突破性提高。由二维材料氧化石墨烯（GO）堆叠组装所形成的纳滤膜具有迥异于传统纳滤膜的分离通道结构,有望突破当前聚合物膜的纳滤膜性能瓶颈。但GO纳滤膜在水中极易溶胀,因此其水中稳定性差且对于离子分离效果差,极大制约了GO膜的实际应用。 首先,针对GO膜水中稳定性差的难题,本文中使用胺分子和GO共组装成膜,并通过热处理使胺分子交联GO纳米片,从而大幅增强GO膜稳定性。同时胺分子在GO膜中的嵌入会改变膜分离通道结构。本课题通过实验结合模拟研究揭示了不同尺寸胺分子的嵌入对GO纳米片堆叠组装过程的影响,以及对所形成的GO复合分离膜结构和分离性能的影响机制。研究表明小尺寸胺分子在共组装过程中会诱导GO纳米片进行面内重叠,使GO复合膜中褶皱减少,膜分离选择性提高但渗透通量较低。大尺寸的胺分子会阻碍GO纳米片在组装过程中的面内重叠,从而导致褶皱的产生和堆叠取向度的下降,使得氧化石墨烯复合膜具备更高的渗透通量。同时,更大的分子尺寸产生的交联范围更大,因而得到的氧化石墨烯复合膜更为稳定。通过优选分子量为1800 g mol-1的聚乙烯亚胺（PEI）与氧化石墨烯共组装,所制备的GO/PEI复合分离膜渗透通量可达到97.6 L m-2 h-1 bar-1,并表现出对于含染料等有机小分子废水的高效处理性能,对于有机染料分子截留率达到95%以上。 之后,针对GO膜对水中金属离子分离效果差的难题,本课题提出了反面界面聚合（p-IP）法在GO/PEI膜基础上构筑聚酰胺（PA）交联网络以提高分离膜的尺寸筛分能力。同时,不同于传统界面聚合得到的荷负电膜表面,通过反面界面聚合能够得到高荷正电性的膜表面以提高对金属离子的静电排斥作用。所制备的荷正电氧化石墨烯框架（PC-GOF）膜能够通过增强的尺寸筛分效应和静电排斥效应的协同作用增强对金属离子的分离性能。反面界面聚合过程中,水相单体PEI通过与GO共组装得到GO/PEI膜,再从GO/PEI膜的反面引入油相单体均苯三甲酰氯（TMC）。通过调控TMC向膜层内的渗透过程来调节所产生的聚酰胺网络结构,并可以保留膜表面的氨基官能团,从而赋予膜表面高荷正电性。所制备的PC-GOF膜渗透性和选择性均优于传统界面聚合制备的GO和PA复合膜,其在具备超过45.0 L m-2 h-1 bar-1的渗透通量同时,对于多种三价金属离子的截留率达到95%以上。 最后,本课题进一步扩展反面界面聚合方法应用范围,选择商品化聚酰胺膜常用的小分子间苯二胺（MPD）作为水相单体,在GO膜中构筑了更致密的聚酰胺网络结构,实现对水中二价盐离子的高效分离。研究表明,共组装制备的GO/MPD膜中MPD在膜层中不均匀分布,越靠近分离膜表面的MPD分子浓度越高,而靠近GO/MPD膜反面的MPD越少。基于此特点,通过反面界面聚合的方式能够构筑贯穿整个GO层的聚酰胺网络,所得到的聚酰胺网络相对疏松,其传质阻力更小,制备得到的PA-in-GOF膜渗透性能更好。而传统界面聚合的方式则只能够在GO膜层表面构筑非常致密的聚酰胺层,在GO膜内部未产生聚酰胺结构。通过反面界面聚合制备的PA-in-GOF纳滤膜具有良好的脱盐性能。其对于Na2SO4的截留率达到98%以上,同时渗透通量相比于传统界面聚合制备的GO复合分离膜提高了282%,并具有更高的单/二价离子选择性。

关键词： 石墨烯纳米流体   物理性质   换热性能   稳定性   低温介质  

摘要： 本实验以高压均质技术为基础,开发了常温石墨烯纳米流体和低温石墨烯纳米流体制备新工艺。系统研究了制备参数对低温石墨烯纳米流体物理性能的影响规律,全面评价了动态换热性能。主要工作内容及结果如下:(1)石墨烯为原料,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为分散剂,通过高压均质技术制备稳定性优良的石墨烯纳米流体。与聚乙烯醇(PVA)凝胶基质结合,利用冻融法获得具有互穿网络结构的高导热石墨烯水凝胶。水凝胶导热系数为1.486 W/(m·K),最大断裂强度为322.4 KPa,自恢复性为95.4%。实际散热性能测试结果表明石墨烯水凝胶具有优异的散热性能。(2)甲酸钾水溶液为低温介质,聚天冬氨酸为分散剂,羧甲基纤维素为分散助剂,通过高压均质技术制备低温石墨烯纳米流体,稳定性超过180天。获得了低温石墨烯纳米流体的热物性参数及表面特性随石墨烯浓度、温度、分散剂种类与浓度等参数的变化规律。石墨烯显著提升基液的导热系数,并对基液展现出优异的降粘效应。随温度上升,纳米流体导热系数提高,粘度系数降低。随着石墨烯浓度的增加,纳米流体的表面张力先降低后上升。石墨烯浓度对接触角的影响规律与表面张力变化规律一致。石墨烯浓度为0.4 wt.%时,纳米流体导热系数为0.5915 W/(m·K),粘度为1.7875m Pa·s,较基液的降粘率达到31.25%。此时的表面张力为最低值60.67 m N/m,表面张力的降低会提高纳米流体的强化换热效率。(3)低温石墨烯纳米流体在管壳式换热器中动态换热性能评价。结果表明随着石墨烯浓度增加,纳米流体的对流换热系数呈现先上升后降低的趋势,摩擦阻力系数先降低后增加。石墨烯浓度为0.4 wt.%的纳米流体具有最高对流换热系数和最低摩擦阻力系数,展现最佳流动换热性能。随着流体流速的增加,纳米流体的对流换热系数增大,摩擦阻力系数减小。恒定泵功率为0.8 W,低温石墨烯纳米流体的对流换热系数比50%乙二醇水溶液提高了156.4%。低温石墨烯纳米流体在管壳式换热器中对空气的换热效率高达91.6%。

关键词： 复合纤维织物   石墨烯   聚酰胺6   熔融纺丝   后整理   光热转换性能  

摘要： 作为备受关注的二维碳纳米材料，石墨烯(GR)具有独特的结构和优异的物理化学性能。以GR为改性填料或功能助剂，为纤维材料及纺织品的高性能化、功能化和智能化带来了新的机遇。特别是，GR具有优异的光吸收性能、光热转换性能和热传输能力，独特的光学性质使其在纺织材料的光热转换(吸光发热)领域展现出广阔的应用前景。然而，GR自身呈现化学惰性，光热转换纺织材料要求GR与纤维、织物之间具有足够的分散性和界面结合。此外，如何设计GR与其他光热纳米材料的杂化结构，制备高效、稳定和耐久的光热转换纺织材料也值得关注。目前，相关研究仍处于探索性阶段，深入研究基于GR改性的光热转换纺织材料具有重要意义。　　针对GR改性聚酰胺6(PA6)光热转换复合纤维、织物的构建和功能化等问题，本研究主要通过表面改性、纳米杂化等功能化改性方法提高了 GR在PA6纤维中的分散性和界面相容性，以及在PA6织物表面的均匀分布和界面结合牢度。分析了改性PA6复合纤维、织物的结构和性能，重点研究了其光热转换性能，阐明了功能化GR改性PA6复合纤维、织物的光热转换机理，为基于碳纳米材料改性光热纺织品的制备及应用提供了理论基础和实践依据。本研究主要以共混纺丝法和后整理法为技术路线，主要研究内容如下:　　(1)通过改进Humemers法制备了纳米尺寸的氧化石墨烯(GO),利用多巴胺(DA)在GO表面发生氧化自聚反应，制备得到聚多巴胺改性还原氧化石墨烯(PDA-rGO),进一步通过熔融共混、纺丝制备了 PA6/PDA-rGO复合纤维。研究发现PDA-rGO在PA6基体表现出良好的分散性和界面相容性，当PDA-rGO的添加量为0.15 wt％时，复合纤维的拉伸强度和杨氏模量分别达到310.4 MPa和462.3 MPa,与纯PA6纤维相比，具有显著的增强效果。光热测试结果表明，不同功率的红外灯照射下，PA6/PDA-rGO纤维束均表现出优异的光热转换性能。当200 W红外灯照射10 min时，PA6/0.15PDA-rGO纤维束表面温度达到52.8℃,高于PA6纤维束的表面温度(45.1℃)。此外，PA6/0.15PDA-rGO纤维束红外热成像形态清晰，展现出良好的光热响应性和光热转换性能。　　(2)采用咪唑基离子液体对rGO和多壁碳纳米管(MWCNT)进行非共价键表面改性，在甲酸中预先共混PA6树脂、改性rGO和MWCNT后，通过熔融纺丝制备了改性rGO/MWCNT协同填充的PA6复合纤维。咪唑基离子液体通过阳离子-π和π-π作用改善了碳纳米材料的表面活性，当功能化碳纳米填料的质量比为1:2时，所制备PA6复合纤维的力学性能、热稳定性和结晶性能均显著提高，并且紫外线防护系数（UPF）远大于50。光热升温测试和加热/冷却循环试验（250W红外灯辐照）结果表明，样品具有良好的光热响应性和光热稳定性。经过洗涤和磨损后，样品的表面温度仍可以达到74.3℃和73.1℃（200W红外灯辐照）。在空气暴露三个月和户外光热实验结果证实样品的光热稳定性和光热转换性能良好，可以满足实际使用需求。　　（3）通过尿素均匀共沉淀辅助剥离自组装法在GO分散液中原位合成锌铝层状双金属氢氧化物（LDH）得到rGO-LDH纳米杂化体;使用PDA对其进行表面改性后填充到水性聚氨酯（WPU）涂层中，并进一步通过刮涂法制备了基于rGO-LDH/WPU纳米杂化涂层的PA6织物。研究发现，加入1wt％的改性rGO-LDH纳米杂化填料后,WPU复合膜表现出更强的力学性能、耐水性和耐刮擦性。所制备纳米杂化涂层的PA6织物对可见光反射率和透过率均降低至10％以下，光吸收性能得到有效提高。在氙灯下（250 W模拟太阳光氙灯）照射60s时，其表面温度达到64.7℃,远高于纯PA6织物的表面温度（42.8℃)。在洗涤、磨损、折叠和弯曲等耐久性测试后，其表面红外成像区域依旧清楚，且表面温度仍能保持在64℃左右，证实该涂层织物具有优异的光热稳定性。　　（4）在紫外光介导下将聚丙烯酰胺（PAM）接枝于PA6织物表面，然后通过静电相互作用吸附单宁酸/GO（TA/GO）层，并进一步原位生长纳米硫化铜（CuS）、还原GO后得到rGO/CuS自组装涂层的多功能PA6织物。通过调控涂层的制备工艺，rGO与CuS被均匀负载于织物表面，并且rGO/CuS自组装涂层的PA6织物表现出优异的抗紫外、光催化、抗菌和光热转换性能。改性PA6织物对金黄色葡萄球菌（***）和大肠杆菌（***）的抑菌率均达到99.9％,且在3h内对亚甲基蓝（MB）溶液实现了几乎完全降解，其光吸收性能（对可见光反射率和透过率均小于15％）和抗紫外性能（UPF:326,UVA和UVB均小于2％）显著提高。低温（15.0℃环境温度）光热、持续辐照（250 W模拟太阳光氙灯）和红外热

关键词： DFT   过渡金属团簇离子   N2O催化分解和CO还原   能量跨度模型  

摘要： 近年来,全球气候变暖的趋势愈演愈烈,温室气体的后续处理成为了越来越多人关注的重点。一氧化二氮(笑气)的温室效应是二氧化碳的300多倍,汽车尾气的排放和工业废气是其重要来源。此外,工业废气和汽车尾气中还含有CO等有毒气体。如何经济安全方便地处理这些有害气体成了研究人员关注的热点。目前,通过反应CO+NO→CO+N可以同时转化这两种气体。尽管该反应是一个强放热反应,但直接反应的自由能垒高,在一般条件下难以发生。实验发现在气相条件下包括Rh、Pt和Os在内的十几个气相离子都可以催化该反应在常温常压下发生。实际应用中人们通常使用Rh、Pt等贵金属进行催化。然而,材料成本昂贵、催化活性亟待提升等问题,成了限制其发展的重要因素。实验发现将贵金属负载或嵌入石墨烯、氮化碳等二维材料上,在提高催化性能的同时减少了贵金属的用量而降低成本,因此是解决此问题的一个有效途径;另外,尝试用其他廉价易得的材料代替贵金属催化也是降低成本的有效途径。本文基于已有的实验报道,用密度泛函理论(DFT)方法结合能量跨度分析,对锇原子嵌入石墨烯、以及铑、铜团簇离子催化一氧化碳还原笑气的反应机理进行详细的研究,以期对相关的催化剂设计提供重要线索。具体研究如下:1.用自旋非限制性密度泛函理论方法UPBE0研究了锇原子嵌入石墨烯催化CO+NO→CO+N的反应机理。为了对比,计算了气相锇原子催化该反应的机理。计算结果显示,反应总放热359.54 k J/mol。在植入石墨烯的单原子锇的催化下,单重态势能面能量最低,反应在单重态势能面上发生。催化反应有两种可能的历程:路径(a)为NO先吸附、活化、氧抽提,得到的Gr-Os=O物种氧化CO为CO。能量跨度模型计算得到其TOF决速中间体(TDI)和决速过渡态(TDTS)分别为NO中氧抽提产物(Gr-Os=O),和单氧配体在Os上的还原消去形成Gr-Os-CO的过渡态。路径(b)为CO先吸附,再经历NO的吸附、活化、氧抽提,以及CO的氧化。其决速态分别为:CO在催化剂上的吸附物1b和1b中Os对NO中氧抽提的过渡态。不同于传统观点的决速步,(a)和(b)的表观自由能垒(能量跨度δE)都由并非相邻的两个决速态确定,分别为108.28k J/mol和135.92 k J/mol。其中(a)为优势路径,室温下(a)与(b)的TOF比值TOF/TOF≈7×10,反应以绝对优势经NO先吸附的路径在比较温和的条件下进行。相比而言,在Os单原子的催化下,该反应可能历经多态反应(TSR)机理,其中可能存在单重态、三重态以及五重态势能面的交叉。其决速态相邻,与传统观点的决速步一致,为Os-CO的形成步,表观自由能垒为191.38 k J/mol。说明锇嵌入石墨烯使得催化循环的表观自由能垒大大降低,催化性能大幅提升。2.用自旋非限制性DFT方法UPBEPBE,系统地研究了Rh和Rh催化CO还原NO的反应机理。计算结果显示,催化循环反应中存在三个不同自旋态势能面的交叉,即反应可能在三个不同自旋多重度的势能面上发生。反应总放热333.87 k J/mol。催化过程有两种可能的历程,即NO先吸附(路径a)、N-O键活化断裂,得到O-Rh物种,再氧化CO为CO,路径(b)为CO先吸附,再经由NO的吸附、N-O键活化、断裂,得到O(CO)Rh-N,随后CO被氧化为CO,产生N和CO共吸附在催化剂的吸附复合物。其中,由于NO的活化产生的N的脱附与否,(a)(b)两条路径产生了交叉。最后通过能量跨度模型计算得到,两种催化剂优势路径中决速中间体和决速过渡态相邻,分别为CO吸附在O-Rh-N的中间体3b和单氧原子在Rh-N上的还原消去形成CO的过渡态TS3/4b,与传统观点的决速步一至。Rh和Rh催化标题反应的表观自由能垒(亦为速决步的自由能位垒)分别为89.39 k J/mol和97.42 k J/mol,远低于直接反应的自由能位垒(195.49 k J/mol),可以在常温常压下发生。室温下Rh/Rh的TOF值之比约为25.66,Rh对标题反应的催化效率优于Rh,与实验结果一致。3.用自旋非限制性DFT方法UPBEPBE,对Cu、Cu催化标题反应的反应机理进行了全面研究。计算结果显示,催化循环中并没有发生不同自旋态势能面的交叉:Cu和Cu催化标题反应分别在二重态和单重态势能面上发生。催化历程与NO和CO的先后吸附顺序有关。路径(a)历经NO先吸附、N-O键活化断裂,脱去N,得到O-Cu中间体,CO被氧化为CO。路径(b)为CO先吸附,再经历NO的吸附、N-O键活化断裂,得到O(CO)Cu-N中间体,以及CO被氧化形成CO等步骤。其中N的脱去与否也影响了反应历程的走向。用能量跨度模型计算优势路径得到:Cu的催化循环中决速态为CO、N和O配位的Cu簇3b和3b中O配体与C

关键词： 扫描隧道显微镜   石墨烯   一维超晶格   电子性质  

摘要： 通过化学气相沉积法在多晶铜衬底上制备单层石墨烯，利用拉曼光谱和扫描隧道显微镜对石墨烯样品和多晶铜衬底的晶体结构和表面形貌进行表征，发现热退火过程可以使铜形成大面积的单晶畴区，从而形成一维石墨烯超晶格结构，利用扫描隧道谱技术研究了一维条纹对石墨烯电子结构的调制作用.结果表明，一维条纹的形成是由于石墨烯与铜晶格失配以及转角所致，并且对石墨烯的能带结构以及电子性质产生一定的调制作用，此外实验观察到由于一维超晶格的调制作用导致杂质原子团簇在石墨烯表面的吸附具有选择性.本实验不仅提供了一种简单有效的方法可以在石墨烯中引入一维周期势，而且指明了一种将引入周期势与化学改性相结合从而实现石墨烯性质调控的新途径.

关键词： 石墨烯   碳纳米管   纳米流体   高效换热   减摩抗磨  

摘要： 载人航天器中装备安装有泵驱动流体回路系统,该系统通过液体传热介质的单相对流传热实现热控制。然而,液体工质的导热系数很低,很难满足散热系统高效传热和流体机械减摩技术的需要。纳米流体能够通过添加适当的纳米颗粒来提高换热能力、减少摩擦磨损。通过传热工质中添加碳纳米粒子,可望研制出兼具高效换热与减磨润滑综合力热性能的新型换热介质。本文针对航天器流体回路系统对高效传热技术和流体机械减摩技术的需求,围绕航天器内回路传热工质(水,乙二醇溶液)与外回路传热工质(全氟三乙胺),进行了多种维度纳米碳材料(石墨烯、碳纳米管、纳米金刚石)的表面修饰。通过氧终端修饰,基于羟基,羧基等亲水性基团,利用静电稳定作用获得了稳定分散去离子水基纳米流体。通过优化CF键合特性和F/C比,基于等离子氟化法在石墨烯表面直接进行氟终端修饰,利用空间位阻作用将氟化石墨烯直接分散于全氟三乙胺中,由于高度氟化,全氟三乙胺纳米流体可以同时实现绝缘和稳定分散。实验结果表明,静置状态下,碳纳米粒子的加入均有效地提高了基液导热系数。在333K时,碳纳米管纳米流体导热系数增幅达到6.0%。303K时,氟化石墨烯纳米流体导热系数相较于基液增加了5.4%。随着碳纳米粒子团簇体尺寸的减小和体积分数的增加,碳系纳米流体的布朗运动加剧,其导热系数增大。对于石墨烯纳米流体,当两片石墨烯表面附着的液膜层接触时,极大降低了热阻,进一步增大纳米流体的导热系数。通过泵驱动流体回路系统换热实验,实现了碳系纳米流体能够高效强化对流换热。动态运行状态下,纳米流体的对流换热强度随碳纳米粒子体积分数和雷诺数的增加而增加。氟化石墨烯纳米流体的对流换热系数提高了 34.7%以上。当加入碳纳米颗粒时,微扰动会促进速度边界层的破坏和不连续性,从而使边界层的实际厚度减小。增加碳纳米颗粒的体积分数可以增加微扰动粒子的数量。提高环境温度可以增强微扰动的强度。等效效应降低了界面的速度梯度,从而提高了实际的换热效果。基于纳米流体在工作腔中的对流换热现象,采用流体力学软件Fluent对其进行数值模拟,应用层流模型,研究了纳米粒子体积份额与碳系纳米流体导热系数的相关性,优化获得最佳的对流换热系数等性能。结合纳米流体分散稳定性,导热特性,优化得到最佳浓度区间为 0.05vol%-0.15vol%。通过研究碳系纳米流体减磨润滑特性,实现了碳系纳米流体热力耦合综合性能调控。对于氧化石墨烯纳米流体,与去离子水基液相比,摩擦系数降低了 71%。磨损损失减少18.5%。氧化石墨烯/纳米金刚石纳米流体与基液相比,摩擦系数降低了 42.3%。经过电子辐照处理后,氧化石墨烯/纳米金刚石在1110cm-1处产生了新的亲水基团,增强了纳米流体的分散性,增强了其减摩效果。当氧化石墨烯/纳米金刚石比例为1/3时,摩擦系数较基液降低78.6%。碳纳米管纳米流体与纯基液相比,摩擦系数降低了 15.4%,磨损损失减少了 78.2%。与全氟三乙胺基液相比,氟化石墨烯纳米流体的摩擦系数降低了 66.6%。碳系纳米流体具有良好的摩擦学性能,提高了长期运动部件的耐磨性和承载能力。这将为纳米流体在冷却流体回路中的应用提供理论依据和实验支持。通过研究碳系纳米流体的工作稳定性,建立了碳系纳米流体对于典型流体回路系统性能提升效果的评价方法。碳系纳米流体在使用热流密度范围内,分子结构稳定,表面官能团无明显变化。综合分析碳系纳米流体的分散稳定性,对流换热性能,减磨润滑性能,石墨烯纳米流体综合性能显著优于碳纳米管纳米流体与纳米金刚石纳米流体,能够兼具优异的稳定分散,高效传热与减磨润滑的综合性能。实现了纳米碳材料悬浮稳定与分散的功能化修饰,获得了具有良好热力耦合综合性能的碳系纳米流体。完成了纳米流体导热系数、润湿性等物理性能表征,获得了工况环境下碳系纳米流体体积份额、雷诺数等参数对工作腔中纳米流体对流换热特性的影响规律,建立了可靠的碳系纳米流体对流换热特性数值计算模型,建立了碳系纳米流体对流传热特性的理论基础。通过摩擦系数等力学性能表征揭示了传热工质中纳米碳材料添加剂的润滑机理,支持未来长寿命、高效率换热的流体回路技术的发展。

关键词： 氧化石墨烯   小型压滤装置   原位低压表征   层间间距   运输机理  

摘要： 作为石墨烯衍生物,原子厚度的氧化石墨烯（GO）堆叠成层状膜,形成的二维纳米通道使其表现出超快的水运输和优异的分离性能,广泛应用于水处理、海水淡化和医药分离等领域。但GO上大量含氧官能团的存在使材料亲水,在潮湿或含水环境中具有高度吸水和膨胀的倾向,大大降低其截留性能。目前,针对层间距的研究主要集中在压滤前和压滤后的表征,缺乏压滤过程中GO膜层间距的准确表征,使得GO膜在实际应用中受到极大限制。因此,本文确定透射X射线且具备足够抗压性能的铍片作为窗口材料,设计了承压力为0.8 MPa,重5.22 Kg,容积为1.76×10-4m3的小型低压过滤装置,与X射线衍射仪集合成低压原位表征系统,用于表征加压状态时GO膜的层间距变化。采用Improved法合成了氧化石墨烯分散液,抽取0.5 m L、1.0 m L和1.5 m L分散液,真空抽滤制备三种负载量的GO膜,通过原位表征系统表征了不同负载量和不同驱动力大小（0-7 bar）的GO膜层间距,结果表明水分子在纳米通道内渗透是多种作用的结果。未加压时,GO纳米片上含氧官能团吸引水分子,GO膜自然溶胀,层间距在1分钟内迅速增加到～13（?）,此后缓慢增加。加压后,层间距先增加后减小,呈现负压缩性。说明压力促使水分子大量渗入,GO膜快速溶胀,完全水合后,多余水分子团簇,流动性增强,水分子挤压纳米片壁面,产生溶胀压力,其值大于外加压力,层间距迅速超过25（?）。渗透逐渐稳定,溶胀压力逐渐减小,层间通道被压缩,褶皱等渗透捷径被破坏,GO膜回归正压缩性。使用终端压滤装置测试了GO膜对甲基红的纳滤性能和纯水通量,进一步验证GO膜的溶胀特性。结果表明不同负载量的GO膜的纯水通量随压力增加而减小,驱动力与层间距呈负相关。与之相反,甲基红截留率逐渐升高,甚至达到99%。这些现象都描述了溶胀现象对GO膜分离性能的显著影响,因此,加强溶胀压力的进一步研究,并且控制好GO膜层间距,以提高对小分子物质的分离能力,推动纳滤分离膜在海水净化和药物分离等方面的实际应用。

关键词： 石墨烯纳晶碳膜   柔性霍尔传感器   磁场测试   耐形变  

摘要： 霍尔传感器作为磁场检测元件得到了广泛的运用,随着纳米技术的发展以及石墨烯等高性能碳基材料的发现,使用纳米碳基材料制备的霍尔传感器由于高迁移率、超薄的厚度、特殊的能带结构以及机械柔性等优点受到广泛关注。随着柔性电子与可穿戴智能设备的发展,将霍尔传感器应用在柔性电子中也成为近年来的研究热点。碳基柔性霍尔传感器在发生弯折、扭曲等形变后,其线性度、灵敏度等指标将会收到影响,特别是多次形变之后,即使恢复到初始形态,上述传感性能指标也会不可避免下降,因此抗形变能力是柔性传感器的重要评价维度,但目前关于碳基柔性霍尔传感器的性能及其耐形变能力的研究鲜有报导。本文使用电子回旋共振等离子体溅射系统在Si O2衬底上生长石墨烯纳晶碳膜,并利用湿法转移将其转移至柔性基底上,制作成柔性霍尔传感器,对其电学性能以及柔性性能进行机理探究和性能评价。并在此基础上自主搭建了磁场测试平台和形变机构,对其在原始形态和形变状态下的传感性能指标进行测量,并对其多次形变后的性能衰减规律和机理进行研究。 首先利用电子回旋共振技术在Si O2衬底上生长石墨烯纳晶碳膜,然后利用湿法转移将碳膜转移至柔性衬底上,制备出了柔性霍尔传感器。优化转移过程中的关键环节,提高了柔性霍尔传感器的性能以及制备成功率。利用实验室的表征手段对转移前后的石墨烯纳晶碳膜进行了微观以及宏观上形貌和结构的表征及分析,利用PPMS对所制备的柔性霍尔传感器进行IV整流特性分析。 为了模拟柔性霍尔传感器在实际场景中的应用,设计并搭建磁场测试平台,利用测试电路以及PC端实现对柔性霍尔传感器的信号采集以及处理功能。对磁场测试平台的各项功能进行调试然后对磁场环境进行仿真以及实测。测试平台得到了磁场强度530 m T,转速范围为0.15-300 r/min,倾转角度为0°-90°,以及最大108.67 mm的位移量等关键指标,为后续开展霍尔传感性能抗形变研究建立测试条件。 对转移前后不同衬底的霍尔传感器进行测试分析,发现PI作为柔性衬底得到的柔性传感器,在180 K-340 K温度范围内,其线性误差仅为±1.1%,显著优于PET以及PDMS衬底。对不同平均纳晶尺寸的柔性霍尔传感器进行测试发现纳晶尺寸增大,晶界散射减弱,柔性霍尔传感器具有更大的霍尔系数。对不同的沉积时间的柔性霍尔传感器进行测试发现,随着沉积时间的增加,柔性霍尔传感器的厚度增加,霍尔系数下降。对柔性霍尔传感器进行几何图案优化,发现十字形几何图案与常规方形相比,电流灵敏度从0.88 V/（AT）提升至3.78 V/（AT）,性能提升了4.3倍;八边形几何图案与常规方形相比,线性误差从±0.31%降至±0.2%。并且在±9 T的范围内依然具有良好的响应。柔性霍尔传感器在未发生形变时,无论是在磁场大小、倾角、电流、角位移以及转速测量中,在100 m T至500 m T内均具有良好的响应且稳定。 对柔性霍尔传感器进行耐形变测试,发现其在2 mm的弯曲半径下弯曲1500次时,依然能产生霍尔电压,在4 mm的弯曲半径下弯曲10000次后,其灵敏度依然能够保持在87%以上。在柔性霍尔传感器在120°的角度范围扭转100次后,也依然能够产生霍尔电压,在60°扭转角度扭转1000次后,其性能依然能维持81%以上。光学显微镜分析表明碳膜中褶皱的消除、新褶皱的产生以及裂纹的出现对柔性霍尔传感器的性能造成影响,其中裂纹以及因为形变所产生的褶皱对其性能影响最大,实验测试和初步仿真结果表明,扭转形变对传感器的性能衰减影响大于弯折形变。