PIEZORESISTIVE SENSING MECHANISM AND PIEZORESISTIVE PERFORMANCE OF IN-PLANE RANDOM STACKED GRAPHENE COMPOSITES 1)

面内随机堆叠石墨烯复合材料(graphene composites, GC)是可穿戴柔性传感器的基础材料之一, 但是其压阻传感机理与压阻性能仍然有待深入研究. 本文基于GC的微观结构特征, 利用0 $\sim$ 1间均匀分布随机数获得石墨烯在复合材料中的位置和方向, 建立了二维GC压阻传感器模型. 根据GC均匀变形的特点和有限单元法发展了GC压阻性能的计算方法, 计算得到了相对电阻、灵敏度系数、石墨烯片的微观形态与电流密度云图. 研究结果表明, GC中的压阻效应是由于在变形过程中石墨烯形态的改变, 包括GC中石墨烯片的密度随应变变化、石墨烯片滑移、分离导致电子迁移路径和无效片数量的改变, 而GC中石墨烯片密度随应变的变化是影响压阻效应的主要因素. 石墨烯片间的相对滑移产生线性传感特征, 分离反之. 高面分比GC与大尺寸石墨烯的GC拥有较大的感知范围, 低面分比GC和小尺寸石墨烯的GC具有更高的灵敏度系数. 最后将接触面的面内电阻率设为应变的函数, 研究了石墨烯片的接触效应对GC压阻性能影响, 解释了GC压阻性能的接触效应和影响机理. 研究结论可为GC生产方法的改进与创新、以及GC压阻传感器件的制备提供理论依据和技术参考.     

复合材料层合板面内压阻效应层合理论研究

应用经典层合板理论和静电学理论,研究了正交异性介质的电导率,压导系数和压阻系数的特性,导出了Ｃａｕｃｈｙ应变空间中压阻系数与压导系之间的关系;建立了平面应力状态下层合板面内压阻效应的层合理论。     

介质与静压对激波管校准压阻式绝压传感器动态特性的影响

激波管通常用于动态压力传感器的校准,压阻式绝压传感器在激波管校准过程当中,会出现谐振频率等动态性能指标随着激波管静态压力环境、气体介质变化而改变的情况,影响传感器动态特性的校准。基于压阻式传感器的工作原理,对传感器的敏感膜片结构进行了机理分析,建立了膜片结构与校准环境中介质和静压关系的动态模型;通过ANSYS与SIMULINK软件开展了数值模拟验证工作,模拟结果与理论推导一致。通过激波管校准实验验证了气体介质与静压的影响关系,结果表明:传感器的谐振频率与静压间存在非线性关系,并且随着敏感膜片径厚比的增大而显著增大;系统阻尼比大小与气体介质有关,随着气体密度的降低而升高;传感器的灵敏度与气体介质和静压无太大直接关系。在使用激波管校准压阻式绝压传感器时,应当考虑介质与静压参数对校准结果的影响。     

封装材料对压阻式加速度传感器性能的影响

通过实验测试的方法研究分析封装材料对压阻式高量程加速度传感器性能的影响。对使用陶瓷 材料和不锈钢材料封装的加速度传感器,利用拉曼光谱仪测试研究封装前后传感器结构中残余应力和压敏 电阻阻值的变化,采用落锤、Hopkinson杆测试分析传感器的灵敏度、高过载能力,并在实弹环境中测试不同 封装传感器的测试精度的差别。实验结果显示,与陶瓷材料封装的压阻式加速度传感器相比,不锈钢材料封 装的压阻式加速度传感器在封装后结构的残余应力和压敏电阻阻值的变化更大,但不锈钢封装传感器的灵 敏度更大、高过载能力更强,同时实弹环境中可靠性和测试精度更高。     

导电混凝土传感器的热变形与机敏性研究

论文设计了具有不同灵敏度的水泥基传感器.测试了传感器的热变形特征与机敏性规律.验证了传感器埋入混凝土进行结构变形检测的可行性.热膨胀系数测定实验发现:与传统认为的受热膨胀不同,添加了碳纳米管的传感器具有热胀-热缩特性.通过对比传感器单独加载与埋入混凝土中加载,发现了大掺量的碳纳米管传感器的压阻效应更易受到混凝土干缩应力...     

碳膜压阻传感器的静压加卸载标定

本文报告了对破膜压阻传感器进行的静压加载和卸载标定,量程范围为MPa-1.5GPa.文中介绍了实验方法,给出了四次标定曲线.     

箔式高阻值低压锰铜压阻应力计的设计及动态标定

设计了低压锰铜压阻传感器 ,并通过平板撞击实验标定了该传感器在 0 .3～ 9.4GPa范围内的压阻关系。标定曲线在 0 .3～ 1.5GPa范围内是线性的 ,对应的是传感器的弹性状态 ,而在 1.5～ 9.4GPa范围内是二次曲线。标定曲线的拐点在 1.5GPa附近 ,这与理论分析和他人的实验结果相接近。     

摩擦材料在无围压和加围压条件下的形变比较

研究铜基粉末冶金摩擦材料在无围压和加围压条件下的动态力学特性及其形变特征。试验在Hopkinson压杆上完成,通过试验发现,材料在无围压、应变率低于1000-1s时,有应变率强化效应;在更高应变率下,材料有损伤软化效应。微观分析可以看到试件上大量的平行滑移裂纹导致了材料破坏,形变是滑移伴随少量的孪晶;裂缝中有大量的碳纤维组织,这些纤维状组织对裂纹的扩展起抑制作用。而材料在加围压下的性能得到了很大的改善,同一应变率下最大应力、屈服极限和动态杨氏模量均有提高。在高应变率时,无论是加围压还是无围压,破碎的硬质颗粒都是长条状的。由此得出推论,球状、细化的硬质颗粒,可提高基体的强度。     

基于光纤光栅传感器的玻璃纤维复合材料层间应变测试的实验分析

通过对内埋未封装光纤光栅传感器(Fiber Bragg Grating,FBG)的玻璃纤维增强复合材料进行力学实验分析,得到不同试件层间的应变曲线与试件断面的微观截面图.探讨了玻璃纤维复合材料固化过程中温度和压力对FBG传感器的传感性能的影响,深入分析了FBG传感器与玻璃纤维复合材料的融合度以及弯曲实验中FBG传感器检测精度.在试件三点弯曲实验中,与传统电测方法不同,应用新型未封装FBG传感器进行复合材料的层间应变测量,得到的层间应变与载荷数据,拟合直线的线性相关系数均在0.99以上,并且传感器在监测不同试件同一层的层间应变的相对误差不超过5％.为应用FBG传感器检测实际的复合材料构件内部应变以及形成FBG传感网络损伤监测系统提供了实验基础.     

压-剪混合型定常扩展裂纹尖端的弹黏塑性场

假定黏性系数与塑性等效应变率的幂次成反比,考虑其黏性和裂纹面摩擦接触效应 建立了压-剪混合型定常扩展裂纹尖端弹黏塑性场的渐近方程,求得了裂纹尖端场不含应力、应变间 断的数值解. 并讨论了压-剪混合型裂纹数值解随各个参数的变化规律,计算结果 和分析表明,压-剪混合型裂纹尖端场是满塑性的,不含有弹性卸载区,黏性效应是研究扩展裂纹尖端场时的一个重要因素. 无论混合裂纹趋近I型还是趋近II型,静水压力随摩擦系数的增加都是增加的,裂纹面摩擦 效应是阻止裂纹扩展速度的因素,且摩擦作用越强,裂纹尖端场的韧性越高.     

石墨烯作为添加剂在两种成品润滑油中的应用可行性研究

为探索石墨烯对成品润滑油中原有添加剂体系的影响,判断其作为添加剂的应用可行性,本文中采用多层石墨烯与两种成品润滑油制备了石墨烯分散液.利用MS-10A型四球摩擦试验机与TE77长行程高频往复摩擦试验机测试了不同接触方式下石墨烯分散液的摩擦学性能;采用紫外分光光度计、旋转氧弹试验仪、高压差示扫描量热仪和成焦板试验仪等仪器对体系的分散稳定性与理化性能进行评价.试验结果显示：石墨烯在润滑油中无法保持长时间的分散稳定性,且对成品润滑油的各项应用指标无明显的提高作用,某些条件下甚至降低了油品的原有性能.分析表明：石墨烯的加入干扰了原有体系的平衡性和稳定性,无法与成品润滑油的添加剂体系发挥良好的协同作用,同时,石墨烯的规模化制备成本远高于常用润滑添加剂,因此结合上述研究结果可知,石墨烯材料目前尚不具备作为成品润滑油添加剂的可行性,其存在的诸多问题还需进行深入研究.     

石墨烯及其复合材料纳米力学研究进展

石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体,是目前已知最薄但却有着极高强度的纳米材料。由于在强度、导热性、电子输运和光学上显示出不同寻常的特性,石墨烯迅速成为材料科学、物理、化学和力学等学科的研究热点。与此同时,石墨烯复合材料的研究也迅速兴起。本文综述了近年来石墨烯及其复合材料的力学特性的研究进展。根据力学行为的差异,我们主要阐述了石墨烯面内力学特性、离面力学特性、原子尺度修饰和石墨烯复合材料力学特性的研究进展：石墨烯的面内拉伸力学特性通过纳米压痕等技术得到了测量,其断裂行为在微纳尺度下不能完全使用连续介质力学模型进行解释,在多层石墨烯情况下会出现超润滑现象;石墨烯的可控离面位移对于改变其物理特性有重要的意义,石墨烯上的屈曲受到手性和尺度的影响,在高频器件中存在着非连续性的离面响应;适当的原子尺度修饰可以改善石墨烯的拉伸和扭转力学特性;石墨烯可以改善复合材料的力学特性,如提高强度、韧性等,其主要强化效应是通过与基体材料的离面、面内力学行为结合产生的。最后,本文对石墨烯及其复合材料的力学研究进行了总结和展望。     

多层氧化石墨烯的三维弹性常数及氧化度对力学性能的影响

宏观氧化石墨烯膜由多层石墨烯组成,其法向拉伸和层间剪切性能远比面内性能低。本文视多层氧化石墨烯为一种特殊的三维正交各向异性材料——横观各向同性材料,通过建立羟基和环氧基在石墨烯表面随机分布的多层氧化石墨烯三维模型,采用分子动力学方法模拟多层氧化石墨烯的面内拉伸、法向拉伸和层间剪切行为,分别得到了多层氧化石墨烯材料的全部五个独立弹性常数E2、E3、μ12、μ32和G23,进而确定了三维弹性矩阵（柔度矩阵和刚度矩阵）,并进一步分析了氧化度对弹性常数和强度的影响规律。结果表明：随着氧化度R逐步增大,多层氧化石墨烯面内杨氏模量E2和拉伸强度σ2max逐步降低,法向杨氏模量E3和拉伸强度σ3max、层间剪切模量G23和剪切强度τ23max均逐步增大,而对泊松比的影响较小;拉伸和剪切断裂破坏位置由氧化基团(羟基和羧基)与碳原子结合键能大小所决定。     

球形金属表面球磨制备石墨烯薄膜摩擦特性研究

采用球磨的方法实现了在钢球表面制备大面积连续的石墨烯薄膜,考察其随球磨时间变化,石墨烯薄膜在钢球表面的包裹程度、形貌变化、结构演变过程、结合性能及摩擦学性能. 研究表明:随着球磨时间的增加,石墨烯在钢球表面团聚减少,包裹更加均一,结构趋于有序;当球磨时间达到50 h时,在钢球表面形成分布均匀且大面积连续的石墨烯薄膜,使与含氢类金刚石碳薄膜组成配伍的平均摩擦系数从裸钢球的0.043降至0.022,磨痕深度和宽度都显著降低. 经胶带粘取100次或乙醇中超声清洗30 min后球磨制备石墨烯薄膜仍然粘附于钢球表面,在氩气环境下石墨烯薄膜表现出优于钢球的摩擦磨损性能.      

Structure dependent elastic properties of supergraphene

Complete replacement of aromatic carbon bonds in graphene by carbyne chains gives rise to supergraphene whose mechanical properties are expected to depend on its structure. However, this dependence is to date unclear. In this paper, explicit expressions for the in-plane stiffness and Poisson’s ratio of supergraphene are obtained using a mole-cular mechanics model. The theoretical results show that the in-plane stiffness of supergraphene is drastically (at least one order) smaller than that of graphene, whereas its Pois-son’s ratio is higher than 0.5. As the index number increases (i.e., the length of carbyne chains increases and the bond density decreases), the in-plane stiffness of supergraphene decreases while the Poisson’s ratio increases. By analyzing the relation among the layer modulus, in-plane stiffness and Poisson’s ratio, it is revealed that the mechanism of the faster decrease in the in-plane stiffness than the bond density is due to the increase of Poisson’s ratio. These findings are useful for future applications of supergraphene in nanomechanical systems.     

Design of layered-stacking graphene assemblies as advanced electrodes for supercapacitors

Graphene is a competitive electrode material for supercapacitors due to its unique two-dimensional structure, large surface area, high conductivity, and good physicochemical stability. However, random agglomeration and restacking of graphene sheets result in a reduced surface area and a loose structure with low density, which severely restricts the application for high gravimetric/volumetric energy density devices. Rational design of the layered-stacking structure of graphene assemblies can effectively prevent the restacking of graphene sheets, construct efficient ion transport channels, and improve spatial utilization, demonstrating the huge potential for developing advanced electrode materials. Herein, from the aspect of improving the electrochemical kinetics through designing efficient electron and ion transport paths, we first highlight the advantages of layered-stacking graphene assemblies, describe some common routes for preparing graphene building units, and then summarize the novel methods to design layered-stacking structures. A comprehensive review of the typical structure including nanocarbon pillared graphene, porous graphene blocks, and graphene ribbon films is provided with a focus on the mechanisms behind the performance improvements. Finally, critical challenges and some general ideas for future development are proposed, which may open up new opportunities for material chemistry and device innovation.     

A theoretical consideration of the ballistic response of continuous graphene membranes

The remarkable properties of graphene, including unusually high mechanical strength and stiffness, have been well-documented. In this paper, we combine an analytical solution for ballistic impact into a thin isotropic membrane, with ab initio density functional theory calculations for graphene under uniaxial tension, to predict the penetration resistance of multi-layer graphene membranes. The calculations show that continuous graphene membranes could enable ballistic barriers of extraordinary performance, enabling resistance to penetration at masses up to 100× lighter than existing state-of-the-art barrier materials. The very high elastic wave speed and strain energy to failure are the major drivers of this increase in performance. However, the in-plane mechanical isotropy of graphene, as compared to conventional orthotropic woven textiles, also contributes significantly to the efficiency of graphene as a barrier material. This result suggests that, for barrier applications, isotropic membranes composed of covalently bonded two-dimensional molecular networks could provide distinct advantages over fiber-based textiles derived from linear polymers.     

Nucleate boiling in graphene oxide colloids: Morphological change and critical heat flux enhancement

We report an experimental investigation into the boiling heat transfer characteristics of water based graphene oxide (GO) colloidal suspensions on a silicon dioxide plate surface. Pool boiling experiments were conducted with GO colloidal suspensions at three concentrations: 1, 5, and 10 mg/L. The characteristics of the GO colloidal suspensions were compared to those of reduced GO (RGO) colloidal suspensions examined in our previous studies, in which we investigated the critical heat flux (CHF) enhancement mechanism in graphene colloids. Even though GO and RGO share almost identical geometrical and chemical characteristics, the GO and RGO flakes formed a two-dimensional (2D) laminate film and a three-dimensional (3D) porous network on a 2D film by nucleate boiling, respectively. Both species showed dramatic CHF enhancement, but not surface wettability enhancement. The 2D structure formed by nucleate boiling exhibited a delayed CHF phenomenon. We found that the GO flakes were well-aligned in the 2D film, such that the film acted as a heat spreader, with superior thermal conductivity. The CHF enhancement data were compared with thermal activity analysis results. Boiling hydrodynamics was examined under high-speed camera visualization.