关键词： 石墨烯基材料   吸附   四环素   羟基氧化铁   铜纳米颗粒  

摘要： 四环素类抗生素（TCs）广泛用于医疗领域、畜牧业和水产养殖业,因具有结构稳定、难以被生物降解等特点在水环境中被频繁检测到,导致耐药细菌产生和抗性基因传播,严重危害生态环境安全。针对当前TCs引发的生态环境污染问题,本文以石墨为原料制备了氧化石墨烯（GO）,采用化学还原法和水热法制备了不同的石墨烯复合材料（α-FeOOH/rGO和C-rGO）,在系统表征后将其应用于吸附去除四环素（TC）。具体内容与结果如下:首先通过Fe2+还原GO制备了α-FeOOH/rGO。表征结果表明,α-FeOOH纳米颗粒以棒状形式锚定在石墨烯表面上。当Fe SO4·7H2O添加量为5 mmol,反应温度为90℃,反应时间为24 h时所得的α-FeOOH/rGO对TC的吸附性能可达219mg·g-1。此外,拟二级动力学和Freundlich模型更符合α-FeOOH/rGO吸附TC过程,该吸附以多层吸附为主。为提升石墨烯复合材料吸附TC的性能,通过水热法制备了C-rGO。表征结果表明,原位生成的铜纳米颗粒无序地负载在rGO上。当GO与Cu2+的质量比为1:0.5,反应温度为80℃,反应时间为24 h时所得的C-rGO对TC的吸附性能可达3078 mg·g-1。其中负载颗粒和表面丰富的含氧官能团是C-rGO吸附TC性能高的原因;而拟一级动力学和Langmuir模型更符合C-rGO吸附TC的过程,吸附限速步骤为液膜扩散阶段,该吸附可能以单层吸附为主。此外,C-rGO经过4次循环使用后,去除率仍保持较高水平,且C-rGO对土霉素、盐酸金霉素、环丙沙星、磺胺甲恶唑和诺氟沙星等抗生素也有很好的吸附能力。其较高的TC吸附能力和相对较好的可重复使用性,在抗生素相关废水处理领域具有巨大的应用潜力。

关键词： 钒酸铋   石墨烯   二硫化钼   可见光降解   密度泛函理论  

摘要： 近年来,国际局势动荡、能源价格飞涨、环境污染严重,各类问题错综复杂,时刻提醒着人们需要加快发展新能源相关技术,努力摆脱国家对传统能源的依赖。光催化技术因其绿色、环保和成本低廉等优点,备受研究人员青睐。钒酸铋(BiVO)是一类能够响应可见光的光催化材料,因而拥有很高的应用前景。但是单一组分的BiVO存在光生载流子复合较快,可见光转换效率较低的问题。因此,本文以BiVO为主体,掺入不同比例的氧化石墨烯(GO)与二硫化钼(MoS),制备了一系列双元和三元的高效异质结光催化剂,提升了BiVO实际应用的价值。此外,本文结合DFT理论计算,综合分析了石墨烯和MoS提升BiVO光催化性能的微观机制。本论文主要研究内容和结果如下:(1)采用正交实验的方法,以亚甲基蓝(MB)的降解率为主要评价指标,结合多种表征方式,确定纯相BiVO的最优制备条件,即:p H=9,加热温度为200℃,反应时间为18 h。并以该制备条件为基础,进行后续二元和三元光催化材料的改性。结合自由基捕获实验,探究纯相BiVO在降解MB过程中各种活性组分可能的生成路径。(2)以BiVO为主体,掺入不同比例的GO与MoS,制备出一系列双元和三元复合光催化材料。GO和MoS的引入增加了BiVO的表面吸附性,增强了其光生载流子的分离效果,有效提升了BiVO的光催化性能。循环实验表明本文制备的所有材料均拥有良好的稳定性和重复使用性。(3)构建BiVO/石墨烯与BiVO/MoS异质结模型(包括纯相石墨烯和单空位的缺陷石墨烯),利用DFT理论计算研究石墨烯和MoS与BiVO结合前后材料各种性质的变化趋势,阐明石墨烯和MoS提升BiVO光催化性能的微观机制。通过能带、Bader电荷、态密度、吸收光谱、电荷转移以及功函数的分析,发现Bi/G、Bi/G以及Bi/Mo异质结的构建有效拓宽了材料的光吸收范围,能够抑制电子和空穴的复合,有助于提高载流子的寿命,从而提高材料光催化性能。

关键词： 氨硼烷   铜基催化剂   非贵金属   石墨烯   水解释氢  

摘要： 氢气是一种可以替代化石燃料的绿色新型能源,氢气的安全存储与运输是发展氢能技术的重点和难点。氨硼烷（AB,NH3BH3）由于分子质量低、含氢量（19.6 wt%）高等优点,成为一种理想的化学储氢材料。但AB水解动力学性能较差,使用催化剂才能实现快速大量放氢。贵金属催化剂具有较高的催化活性,但高成本、低储量限制了他们的广泛应用,目前廉价高效的催化剂研究主要集中在Fe、Co、Ni等,对于Cu催化剂的研究较少,从目前报道文献看,Cu催化剂的催化活性还很低,而且还存在Cu合金纳米粒子易团聚及稳定性差等问题。所以本文选用Cu为主要活性金属,通过引入其他非贵金属Ni、Co元素,合成了Cu Ni和CuCo二元纳米粒子催化剂。进而对比了采用不同载体（GO、Al-MCM-41、NS-BN、SBA-15）时的催化效果,并在载体优化的情况下,在室温条件下通过一步共还原法制得了CuCo/RGO、CuCo Mo/RGO纳米复合材料,并探讨了不同碱性浓度以及其他不同过渡金属（Cr、W）掺杂对催化剂制氢性能的影响。采用X射线衍射仪（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）等多种表征方法对催化剂进行了详细表征,并分析了其对催化性能的内在影响规律。主要研究内容及结果如下:（1）采用一步共还原法,引入Ni、Co元素快速合成了Cu Ni和CuCo催化剂,并将其用于催化AB水解释氢。通过调控金属摩尔比发现Cu0.4Ni0.6和Cu0.6Co0.4催化剂表现出较高的催化活性,TOF值为1.88和9.73 mol（H2）·mol（metal）-1·min-1,活化能为41.96和39.8 k J/mol。催化活性的提高归因于金属之间的协同作用。与Cu纳米粒子（20.27 nm）相比,引入Ni和Co之后使纳米粒子的平均颗粒尺寸降低到8.3和7.5 nm,说明双金属催化剂可以减小纳米粒子尺寸,使催化剂暴露更多的活性位点,提高催化剂的催化活性。（2）通过引入高比表面积载体,比较了不同载体负载CuCo纳米粒子催化剂催化AB的水解性能,发现CuCo/RGO纳米复合催化剂催化活性最高。改变金属间的摩尔比,当Cu/Co的比例为6:4时,Cu0.6Co0.4/RGO催化剂的催化性能最佳,TOF值达41.64 mol（H2）·mol（metal）-1·min-1。此外,研究了不同碱性浓度下Cu0.6Co0.4/RGO催化剂的催化性能,当Na OH的浓度为1 M时,催化剂催化氨硼烷释氢速率最快,TOF值为63.13 mol（H2）·mol（metal）-1·min-1,活化能为34.62 k J/mol,并且在循环使用5次之后表现出良好的循环稳定性。碱的加入可以中和催化过程中产生的硼酸根离子,使催化剂暴露更多的活性位点,提高催化活性。（3）采用原位还原法,在碱性条件下,用硼氢化钠作为还原剂,通过掺杂少量的Mo（Cr,W）,在室温下一步合成Mo（Cr,W）掺杂CuCo/RGO复合催化剂,并对各催化剂催化氨硼烷水解制氢的性能进行分析比较。结果表明,其催化活性顺序为Mo>W>Cr,通过改变Mo的掺杂量,发现(Cu0.6Co0.4)0.9Mo0.1/RGO催化剂的催化活性最高,能在40s内使氨硼烷释放100%的氢气,其TOF值达到93.28mol（H2）·mol（metal）-1·min-1,活化能为30.58 k J/mol,并且循环5次之后仍保持较高的催化活性。催化活性的提高归因于Cu、Co、Mo之间的电子协同效应以及金属与载体之间的相互作用。

关键词： 锂离子电池   石墨烯   磷酸铁锂   导电剂   针状焦  

摘要： 在新能源汽车动力电池的发展进程中,安全可靠性一直以来都备受人们关注。磷酸铁锂(LiFePO)作为一种高容量、长寿命、安全稳定的正极材料,在动力电池的开发中被寄予厚望。不过,磷酸铁锂也存在一些突出的问题,例如低的电导率和锂离子扩散速率等,在一定程度上束缚了其更深入的实际应用,通过添加高性能的导电剂可以有效克服以上弊端。石墨烯作为21世纪最具有代表性的纳米材料,已经被普遍应用在磷酸铁锂电池导电剂范畴,并取得较好的成效。液相剥离天然石墨已经被认为是一种有效制备石墨烯的方案而被众多企业所采纳,然而,传统的天然石墨如今已被认定为国家战略性矿产资源,且层间距较小,往往需要额外加入有毒且高价的有机溶剂辅助剥离。基于此,本文设计了一种石墨烯(Graphitized Needle Coke Nanosheets,GNCNs)的新型制备方法,并通过构建多维度导电网络、提高导电剂分散性的方法以实现电极优异的电化学性能。主要工作内容如下:(1)采用分散剥离-冷冻干燥-超高温石墨化的方法制备石墨烯,以针状焦(NC)为石墨烯剥离前体,羧甲基纤维素钠(CMC)为分散剂,研究了不同CMC含量和石墨化温度对GNCNs性能的影响,确定最佳的CMC含量和石墨化温度。结果表明添加适量的CMC可以高效地剥离针状焦,获得分散性高、粒度小的针状焦纳米片;提高石墨化温度有利于提高石墨烯的晶格有序度,加快电子的传导,减小电极的内阻。研究表明在0.4 wt%的CMC以及2800℃的石墨化温度下制备的GNCNs对磷酸铁锂电化学性能提升最显著,1 C倍率下循环200周后放电比容量稳定在155.6 m Ah/g,容量保持率为96.2%;在5 C倍率下放电比容量高达144.5 m Ah/g,表现出优异的倍率性能。(2)为进一步提升电极的循环稳定性,采用机械混合法将最佳的GNCNs分别与超级导电炭黑(SP)、商用碳纳米管(CNT)复合后制备成多维度二元导电剂,并以商用石墨烯(Gr)作为对照组。结果表明,Gr与GNCNs本质上同为石墨烯结构,相同比例的复合导电剂电极所表现出的电化学性能趋势相同。基于“面-点”、“面-线”导电模式下最佳的复配比例分别为8:2、2:8,由于GNCNs表层的硬碳结构以及表面的微裂纹能够吸附并贮存电解液,加快了锂离子的扩散,所以复合GNCNs电极表现出更高的电化学性能。与单一导电剂GNCNs电极相比,复合GNCNs导电剂电极表现出了更加稳定的循环性能,GC28电极在1 C倍率下循环200周后放电比容量为159.6 m Ah/g,容量保持率高达100.5%。(3)针对导电剂添加含量较高以及商用导电剂价格高昂的问题,利用两步法制浆工艺制备了一种高分散性均匀石墨烯(GP),提高了石墨烯的分散性,减少了导电剂的添加量,舍弃了商用导电剂。实验结果表明,仅添加3 wt%GP的电极性能就优于添加10 wt%GNCNs电极和商用Gr电极。尤其在10 C超高倍率下,LFP/GP-3电极循环1000圈后放电比容量仍保持在98.0 m Ah/g,容量保持率高达113.3%。两步制浆工艺优化了电极内部石墨烯导电网络的分布状态,缩短了活性材料间的接触距离,加快了锂离子的扩散速率,缓解了正极材料在长循环中的开裂现象,提升了电极的电化学性能。

关键词： 石墨烯   空心碳球结构   分子模拟   力学性质   原位力学测试  

摘要： 近年来,空心碳球结构以其轻质高强、尺寸可控、比表面积大等优点,成为新型材料的研究热点。目前对空心碳球结构的实验室制备方法多有报道,而对其力学性质的理论分析仍有一定的局限性,具体体现在理论模型与实验室制备的样品结构差别较大。因此,为了还原实验室制备样品的构型细节并充分探究碳球结构的力学性质与失效机理,本工作基于自然界中存在的简单空心碳球——C60结构,设计建立了石墨烯拼接空心碳球与石墨烯搭接空心碳球结构,并用分子动力学模拟的方法探究了其力学性质、失效机理以及增强方法,且对部分结论辅以原位力学测试加以验证。 目前受势函数准确性的限制,C60分子相变的理论研究鲜有报道。近期出现的机器学习势函数GAP-20具有接近密度泛函理论的准确性,因此我们采用基于机器学习势函数的分子动力学研究方法分析了C60团簇在不同温度和压力下的转变过程。根据C60团簇中不同杂化类型碳原子的含量变化,总结出C60团簇的结构转变过程图。对于高温高压下发生的从非晶碳向金刚石结构转变的过程,通过理论计算得到了活化能的预报值为2.42 e V。对压缩过程中观察到的不同结构的转变结构,计算得到其体积模量、杨氏模量和拉伸强度,并进一步对不同结构的拉伸力学性质进行了分析。 基于C60等一系列符合独立五碳环原则的富勒烯球的几何特点,我们设计建立了基于石墨烯拼接的空心碳球结构,采用全原子的分子动力学方法分析了其中空、充氦两种状态下的压缩力学性质。研究结果表明,随着结构尺度不断变大,中空的石墨烯拼接碳球极易发生坍塌失效,采用向内部填充氦气的方法可以有效提高结构的变形稳定性、增强其抗压力学性质。结合模拟与几何公式推导证明充氦的石墨烯拼接碳球结构具有超轻浮空特性。 为了尽可能还原实验室制备空心碳球的多片层特点,提高模型构建和后续理论计算的准确性,我们将石墨烯作为基本单元,以相互搭接的方式构建了空心碳球模型。借助粗粒化的分子动力学模拟分析了石墨烯搭接空心碳球的压缩力学性质,给出碳球在不同应变下的构型变化,并辅以原位力学实验进行验证。理论和实验结果表明,碳球在较小的压缩应变下会发生可恢复的弹性变形,当应变超过90%时,结构会由于石墨烯的层间滑移而显示出不可逆的塑性变形,最终发生滑移失效。此外,模拟和实验均表明压缩针尖的形态会对石墨烯搭接空心碳球的最终失效模式产生影响,当针尖从圆钝变为尖锐时,碳球的失效模式由坍塌失效转变为穿刺失效。 最后,我们在石墨烯搭接空心碳球内引入了层间交联以增强结构的压缩力学性质与气体承载能力。首先对石墨烯薄膜进行分子动力学拉伸模拟,对于含有大面积孔缺陷的石墨烯薄膜,引入层间交联固定无缺陷的石墨烯片进行贴补。计算发现该方法可以强化破损石墨烯薄膜的拉伸力学强度,证明了交联能提高结构的层间应力传递。基于上述结论,建立含有层间交联界面的石墨烯搭接空心碳球结构,采用相同的分子动力学压缩模拟,分析了原本的范德华界面与建立得到的交联界面对石墨烯搭接空心碳球结构抗压力学性质的影响。计算结果表明,层间交联可以有效抑制石墨烯片的层间滑移,使碳球在压缩载荷下由滑移失效转化为屈曲失效,提高了结构的抗压强度。此外,在气密性模拟实验中,交联界面还能提高石墨烯搭接碳球的气密性,防止高温下内充气体的泄漏,增强了其气体承载能力。

关键词： 超级电容器   柔性   凝胶电解质   聚丙烯酸   多孔碳   石墨烯  

摘要： 随着柔性可穿戴设备的发展,柔性储能装置逐渐成为研究热点。柔性超级电容器在具有超级电容器高功率、安全稳定等特性的同时,还能够在外力作用造成的弯曲、折叠、挤压等形变中保持稳定的电化学性能和完整的结构。发展高性能的柔性超级电容器迫切需要开发兼具高力学强度和优异电化学性能的固态电解质和柔性电极。本文以聚丙烯酸（PAA）为主要原料,分别制备了高性能的聚丙烯酸/氧化石墨烯（PAA/GO）复合凝胶电解质,PAA为前驱体的多孔碳材料和以该多孔碳为活性物质的柔性自支撑电极,基于该柔性电极和凝胶电解质组装的柔性超级电容器具有优异的电化学性能,展现出良好的应用前景。（1）通过自由基聚合的方式制备了PAA/GO复合水凝胶电解质,其中GO的含氧官能团可与PAA分子链上的羧基形成氢键,从而显著提高PAA基凝胶电解质的机械性能。在与GO进行复合后,PAA凝胶的拉伸强度由4.0 MPa提高到6.1 MPa,最大拉伸应变从1556%提高到1950%。同时,GO还可以促进电解质离子的传输,有利于提高PAA水凝胶的离子导电性。研究结果表明,GO浓度为0.5%时,PAA/GO复合水凝胶电解质的离子电导率最高为16.81×10 S cm。基于PAA/GO复合水凝胶电解质组装的超级电容器在20 A g的大电流密度下,容量保持率为64.3%(相比于0.1A g下的比容量),并且表现出稳定的循环性能,在5 A g下经过10000次充放电循环后,容量无明显衰减。此外,所制备的柔性超级电容器具有很好的柔性,在0-90°不同的弯曲角度下,可以保持稳定的电化学性能,表明PAA/GO复合水凝胶是一种理想的柔性超级电容器电解质材料。（2）以聚丙烯酸钾凝胶为前驱体,在不添加任何额外活化剂情况下,利用凝胶中的-COOK基团受热分解产生的KCO及其更在高温度下分解产生的CO与碳反应进行造孔的原理,以一步碳化活化法制备了多孔碳。进一步在制备凝胶过程中加入KCl作为模板,碳化活化完成后仅用水洗就可完全去除杂质,在模板的作用下,多孔碳具有奶酪状的形貌,产生微米级大孔和更薄的孔壁,使得KCO对碳基体的活化作用更加充分。以KCl为模板的多孔碳比表面积高达1410 mg(远高于无模板多孔碳的921 mg),孔容为0.60 cm g,因此,制备的多孔碳在0.1 A g的电流密度下比容量达到265.9 F g,在100 A g的电流密度下仍能保持117.8 F g的比容量。（3）以PAA凝胶基多孔碳为活性物质,将其与氧化石墨烯GO液相分散、流延成膜,进一步热还原处理后得到以还原氧化石墨烯（r GO）为导电粘结剂的柔性自支撑膜电极（PC-r GO）。相比于传统的匀浆涂覆制备的电极（PC-PTFE）,PC-r GO电极表现出更高的比容量和更好的倍率性能。将PC-r GO-7:3的柔性膜与PAA/GO复合凝胶电解质组装成PAA基柔性准固态超级电容器,表现出281.6 F g的最大比容量和优秀的循环性能（10000次循环后,容量保持率为91.3%）。此外,该柔性器件在0-90°的弯曲角度内电化学性能几乎不发生变化,且在反复弯折过程中有良好的抗疲劳特性。同时,将三个保持弯曲状态的柔性器件进行串联后能够点亮小灯泡,证明了PAA基柔性超级电容器的潜在应用价值。

关键词： 纳米通道   电场   水分子   离子   输运   分子动力学  

摘要： 流体在纳米尺度下的传输性质是纳米流体学领域的重点研究内容之一。在过去十几年,纳米加工技术的发展已趋于成熟并可以成功制备具有特定结构的纳米流体器件,使得大规模的工业生产应用成为可能。例如,纳米流体通道在物质分离、药物输送、电化学和渗透能量收集等方面具有极大的潜在应用价值。尽管纳米流体学领域发展迅速,但由于纳米流体复杂的微观行为,当前仍缺乏一个完善的理论框架预测与分析电场下纳米通道中水分子和离子的输运。因此,加深对纳米尺度下流体的传输性质和相关流动机制的理解对未来的技术发展无疑是至关重要的。本论文致力于通过分子动力学模拟方法探究外电场的强度和方向,以及通道的形状与尺寸对水分子和离子在纳米空间中输运动力学的调控作用,从而揭示纳米流体传输复杂的微观机理,主要内容概括如下: 1.探究了电场作用下不同直径的碳纳米管(CNT)中水分子的传输。模拟结果表明通道内的水总流量随着场强的增加而整体减少,而水净流量则经历了两个阶段的变化,导致单向传输效率的增加。类似于实验上CNT的润湿现象,通道内水的占据数随着电场的增加而线性增长。此外,还发现一个简单的方程可以准确预测水的传输时间。这些结果丰富了人们对水分子在外场下的传输行为的认识,并有助于设计稳定和高效的纳米流体装置。 2.提出了一种基于离子竞争性输运的新型水流调控的方法。通过一系列的分子动力学模拟发现在传统的轴向电场的驱动下,施加额外的横向电场可以显著削弱CNT中阳离子和阴离子的竞争性输运,从而自发地导致电渗水流量的增加。对于不同的离子类型和CNT长度,类似的电泵现象同样存在,并且较长的CNT中由横向电场引起的摩擦力产生了更重要的影响。该模拟结果为调整阳离子和阴离子的竞争性输运提供了一条新的途径,对新型电渗水泵的设计具有一定的参考意义。 3.提出了一种能够有效提高CNT脱盐性能的新方法。研究表明在轴向压力的驱动下,额外的横向电场能显著提高CNT的离子过滤性能。具体表现为,横向电场的增加使得离子通量快速线性衰减,同时水通量仅表现出轻微下降,对应于提升的CNT脱盐性能。此外,横向电场同样明显增强了更大直径CNT中的离子排斥,这表明该方法能够应用在大孔径的海水淡化装置中。 4.揭示了二维石墨烯通道中离子在电场作用下表现出的异常双向传输现象。在二维超强空间限制中,分散的离子在电场作用下迅速组装成独立的多团簇结构。值得注意的是,随着电场的增大,离子团簇结构从方形单元模式逐渐转变为链状。这种团簇结构使得阴离子与阳离子的运动强烈耦合,最终导致双向传输现象。此外,随着石墨烯层间距的增大,离子团簇将迅速消失并溶解在溶液中,使得离子传输回归到正常的单向传输。该发现为新型的神经形态设备设计提供了新的动力学认识。

关键词： 石墨烯   化学气相沉积   大面积转移   发热膜  

摘要： 大规模石墨烯薄膜制备的研究已经取得显著的进步,特别是使用化学气相沉积方法在金属基底上生长石墨烯的技术已经比较成熟,但是金属基底上合成的石墨烯难以直接使用,需要将其转移至目标基底。然而,目前的石墨烯转移技术难以满足工业制备石墨烯可靠、低成本的需求。针对这一问题,本论文提出一种聚乙烯薄膜辅助快速转移石墨烯薄膜的方法,实现大面积石墨烯薄膜的高效、低成本转移。此外,本论文研究了使用石墨烯/聚乙烯薄膜制作的石墨烯发热膜的性能,拓展了快速转移方法的应用场景。本论文还发展了一种对转移的石墨烯薄膜进行评估的方法,从完整性、缺陷、电学性能等方面对石墨烯转移结果进行评估。本文的主要研究内容如下:1、聚乙烯薄膜快速转移石墨烯。聚乙烯快速转移石墨烯的方法,仅使用范德华相互作用将单层石墨烯直接转移到聚合物表面,不需要使用中间体、胶水、电、真空、热、压力或者其他预处理,实现秒级的石墨烯转移,同时避免铜箔的完全刻蚀降低了转移成本。聚乙烯薄膜快速转移石墨烯的方法完成了石墨烯大面积、快速、连续、高质量、低成本的转移目标。2、快速转移低面阻值石墨烯。利用石墨烯之间的范德华力作用,通过多次转移获得多层石墨烯薄膜,降低薄膜整体的电阻。经过三次转移叠加的多层石墨烯/聚乙烯薄膜的平均面阻值为660Ω/sq,为聚乙烯薄膜快速转移石墨烯方法的实际应用打下基础。3、制备石墨烯发热膜。使用银浆在石墨烯/聚乙烯膜上微电子打印叉指型电极,完成发热膜的制备。石墨烯发热膜透明度高,厚度仅为微米级别,发热效果稳定,发热温度可至110℃,是性能良好的柔性透明发热膜。4、大面积石墨烯转移评价方法。通过光学显微表征、软件计算统计的方法得到大面积石墨烯薄膜的完整性数据,通过统计计算发现大面积石墨薄膜的完整性和缺陷程度与电学性能成强相关关系,特别是完整性对电学性能的优劣起至关重要的作用。

关键词： 铝基复合材料   碳化硅   三维网状石墨烯   力学性能   抗蚀性能  

摘要： 铝基复合材料具有低成本、可塑性强等优点,是当前最具吸引力的金属基复合材料之一。然而,强度低、硬度低等缺点限制了铝基复合材料的进一步发展。具备高硬度优点的SiC和具备优异物理化学性能的三维网状石墨烯(Three-dimensional Graphene Networks,3DGN)是铝基复合材料的理想增强材料。本文开展了SiC增强型、3DGN增强型以及SiC和3DGN混合增强型铝基复合材料的力学性能及抗蚀性能研究。SiC/Al复合材料的研究表明:SiC/Al复合材料的硬度、抗压强度随SiC含量(10～40%)的增加而提高,而致密度、韧性和抗蚀性下降。当添加40%SiC时,40-SiC/Al复合材料的硬度达184 HV,相较于纯铝基体的硬度35.7HV提高了415.4%,40-SiC/Al复合材料抗压强度达605 MPa。但40-SiC/Al复合材料的致密度和应变率分别仅为97%和8%,表明材料致密性一般且面临脆裂问题,由此带来的Al-SiC界面结合差和裂缝加速了铝基体腐蚀。3DGN/Al复合材料的研究表明:微量(0.075～0.300%)的3DGN对铝基体的致密度、硬度和抗压强度影响甚微,本文制备的3DGN/Al复合材料均保留了与纯铝相同优异的断裂韧性和轻量化的优点,这一结果有望用于改善铝基复合材料的断裂韧性。然而,3DGN对3DGN/Al复合材料的耐腐蚀性能影响显著,材料极化电阻随3DGN含量先提高(0～0.150%区间)后下降(0.225～0.300%区间)。复合材料腐蚀电流密度高于纯铝试样,表明3DGN/Al复合材料腐蚀速度较快,耐蚀性下降,其主要与3DGN团聚以及3DGN的导电性有关。3DGN-SiC/Al复合材料的研究表明:0.225%3DGN有效实现3DGNSiC/Al复合材料的强度-韧性-抗蚀协同强化,相较于SiC/Al复合材料的硬度、应变率和抗压强度分别提高了56.5%、37%和2.6%,其极化电阻值高于、腐蚀电流密度低于SiC/Al复合材料,表明抗蚀性能有所改善。同时3DGN主要通过填充物的形式或“粘接”作用改善SiC-Al连接界面并减少缝隙缺陷,3DGN自身优异的延展性有效改善SiC/Al复合材料面临的脆性问题。对比三种复合材料,SiC的加入显著提高了铝基体的硬度和抗压强度,3DGN的加入使材料更加致密,减少缝隙腐蚀,并有效提高断裂韧性,SiC和3DGN使铝基复合材料在强且韧之间实现了更好的平衡。

关键词： 完美吸收器   传感器   石墨烯   黑磷   等离子诱导吸收  

摘要： 超材料(Metamaterial,简称MMS)是一种具有超物理性质的周期性人工合成材料,它具有超磁性、负折射率和强柔韧性等特点。近年来,气相沉积法和电子束光刻技术趋于成熟使得制备纳米级超材料成为可能,而纳米尺度的超材料可以有目的性,选择性地控制吸收光谱。另外,基于黑磷(Black phosphorus,简称BP)、石墨烯的纳米级超材料具有优异的光电特性,如高载流子迁移率、机械灵活性和动态可调谐性等,在光吸收器、光电传感器和电子电路都具有广阔的应用前景。本文主要针对传感器,光吸收器等设备的性能需求,基于石墨烯、BP的纳米级超材料对吸收光谱进行选择性调控特性,设计了两种多波段完美吸收器,并探究和测试了它们在吸收器和传感器领域的性能。论文的主要研究内容如下:1、本章首先介绍了二维材料的发展史、优异的光电特性和数种二维材料的制备方法。然后着重讨论了二维材料中知名度最广的两种材料:石墨烯和BP。在总结归纳大量前人对石墨烯-BP研究工作的情况下,发现石墨烯和BP都支持等离子激元,可与光发生强相互作用,以提升材料对光的吸收率。接着介绍了等离子激元中比较特殊的现象:等离子诱导吸收。该现象可以极大地改变材料的光学响应谱,增加吸收光谱的吸收峰,提升材料的光电性能。2、本章主要介绍了时域有限差分法(Finite difference method in the time domain,简称FDTD)这一重要的数学分析方法,并对FDTD的发展史进行了阐述。随后对FDTD的数值稳定性进行讨论,得出FDTD稳定的条件。而后介绍了FDTD仿真中比较特殊的边界条件,即完美匹配层。最后对多维耦合模进行了仔细的研究和公式推导,侧重分析了四维耦合模之间的耦合,解算出了四重等离子诱导吸收的能量转换关系。3、本章提出了一种基于石墨烯、BP可调谐多窄带完美吸收器。通过改变结构参数或调整BP和石墨烯的层数,可以获得不同数量的完美窄带吸收峰。然后利用CMT(Coupling mode theory,简称CMT)研究了系统的物理能量传递机制。CMT计算数据与FDTD模拟结果基本一致,证明光学等效腔CMT可以很好地分析系统。详细分析了结构参数t、t和L对所提出结构吸收光谱的影响,研究了石墨烯和BP带之间的垂直距离与系统PIA(Plasma-induced absorption,简称PIA)之间的关系。通过改变石墨烯费米能级和BP载流子密度,可实现结构的动态可调谐功能。通过向结构中额外添加一片BP,系统吸收峰的数量由四个变成五个。当入射光偏振角θ小于30°,系统的PIA现象对偏振角不敏感。然而,当θ等于30°和60°时所提出结构对光的吸收效率差很多,证明此时系统的PIA现象对偏振角非常敏感。因此,利用这些优异的性能,所提出的结构可能为设计光学滤波器、开关、传感器和完美吸收器等设备提供一定的指导意义。4、本章提出了一种基于石墨烯/BP动态可调谐高灵敏传感器。通过调整光栅的高度,可以在一定范围内增强结构PIA的强度。研究了光栅宽度,隔离层高度对系统光学响应强度的影响。利用CMT理论分析了系统的能量传递机理,CMT的理论数据与FDTD仿真结果拟合较好,证明了用光学等效腔对所提出结构进行分析是正确的。此外,通过改变石墨烯的费米能级和BP的载流子密度,我们可以实现动态调节系统吸收光谱。最后,通过改变环境折射率分析了系统四个检测点的灵敏度和FOM(Figure of merit,简称FOM)。该系统的最高灵敏度和FOM分别为5.174μm/RIU和26.449。因此,我们提出的结构可能为设计中红外波段的光学传感器和完美吸收器提供新的途径。