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激光诱导石墨烯柔性可穿戴应变传感器的制备与性能研究

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激光诱导石墨烯柔性可穿戴应变传感器的制备与性能研究

作者：邹瑶中国民用航空飞行学院

学位级别：硕士

伴随着我国航空产业蓬勃发展,对飞行员的需求量和专业技术要求也日益提高。为确保飞行员的模拟飞行训练取得可衡量的成效,需要在训练过程中实时获取飞行员的脉搏、手部动作等生理/身体信号,为建立制定科学化训练体系提供参考依据。本文... 详细信息

伴随着我国航空产业蓬勃发展,对飞行员的需求量和专业技术要求也日益提高。为确保飞行员的模拟飞行训练取得可衡量的成效,需要在训练过程中实时获取飞行员的脉搏、手部动作等生理/身体信号,为建立制定科学化训练体系提供参考依据。本文利用先进的激光技术诱导生成石墨烯作为柔性导电材料,制备柔性可穿戴应变传感器,实现对飞行员在模拟飞行训练过程中的生理/身体信号监测。本文主要研究激光能量累积、扫描速度、图案优化和掺杂纳米银等因素对激光诱导石墨烯表面微观形貌演化与调控以及对柔性可穿戴应变传感器的性能影响规律。实验结果表明:(1)激光诱导石墨烯的生成质量主要受激光能量累积的影响。随着激光能量累积次数的增加,激光诱导石墨烯的生成由少至多、表面孔状结构由少至多再变少的规律。当激光能量累积为3次时,激光诱导石墨烯表面质量最好,用其制备的柔性可穿戴应变传感器灵敏度因子为41.4。(2)激光诱导石墨烯表面微观多孔结构主要受扫描速度的影响。随着扫描速度增加,激光诱导石墨烯表面孔状结构变少、孔径变小。在70 mm/s扫描速度下,孔状结构更加丰富、质量更佳,其制备的柔性可穿戴应变传感器灵敏度因子提高为107.8。(3)激光诱导石墨烯导电路径主要受图案设计的影响。通过对单线激光诱导石墨烯拓展至面激光诱导石墨烯的优化,制备的柔性可穿戴应变传感器灵敏度因子提升至302.2。(4)激光诱导石墨烯基柔性可穿戴应变传感器的导电性能提升主要通过掺杂纳米银实现。掺入纳米银后,激光诱导石墨烯表面具有分布均匀的颗粒,用其制备的柔性可穿戴应变传感器具有低电阻(107.4Ω)以及426.8的灵敏度因子。本文通过对激光诱导石墨烯的激光参数、图案优化和掺杂改性的研究,对其柔性可穿戴应变传感器的性能进行了分析和评价,为激光诱导石墨烯的单步原位制备及高性能传感器的制备提供了新思路。同时,本文创新性的将激光诱导石墨烯基柔性可穿戴应变传感器应用于飞行员模拟飞行训练过程中的生理/身体信号监测,为柔性传感器的应用开拓了新领域。

关键词：激光诱导石墨烯扫描速度激光能量累积图案优化掺杂改性飞行员

激光诱导石墨烯微米结构疏水表面制备及其防除冰性能研究

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激光诱导石墨烯微米结构疏水表面制备及其防除冰性能研究

作者：李世琛中国民用航空飞行学院

学位级别：硕士

结冰被认定为影响当前航空器安全运行的关键气象因素之一。当前传统防除冰技术不能够满足航空器发展的需要,迫切需要开发新型复合式防除冰新技术。基于精度高、可图案化、经济高效的激光诱导石墨烯技术构建“被动防冰+主动除冰”的航空... 详细信息

结冰被认定为影响当前航空器安全运行的关键气象因素之一。当前传统防除冰技术不能够满足航空器发展的需要,迫切需要开发新型复合式防除冰新技术。基于精度高、可图案化、经济高效的激光诱导石墨烯技术构建“被动防冰+主动除冰”的航空器复合型防除冰新技术开拓了新思路。本文基于激光诱导石墨烯技术开展复合型防除冰表面设计与优化,利用模拟仿真筛选较优激光参数组合;通过线阵列图案设计和激光功率参数调整初步构建疏水石墨烯表面;进行扫描速度、阵列线间距参数的优化,提高表面防除冰性能,最终实现疏水/超疏水/电热功能耦合的防除冰表面。主要研究:(1)利用COMSOL Multiphysics软件建立“光-热-力”耦合模型,研究激光参数对基底温度和热应力的影响,优化激光参数组合;(2)对激光扫描轨迹进行周期性线阵轨迹设计,探究激光功率对石墨烯生成物质量的影响规律,初步形成疏水/电热表面;(3)分析扫描速度和线间距对石墨烯表面结构的影响规律,通过优化提升延迟结冰/电热除冰性能,形成疏水/超疏水/电热功能耦合防除冰表面。仿真模拟和实验验证结果表明:(1)激光功率是影响光热效应和石墨烯生成的主要因素,光斑直径与扫描速度为次要因素,影响规律与激光能量分布密切相关;(2)功率偏小(3 W)或过大(7 W)会导致石墨烯表面出现缺陷结构,功率为5 W功率时制备的石墨烯表面表现疏水性和稳定焦耳热效应;(3)扫描速度的适当提升,有助于接触角的增大(134.5°-147.7°),形成了延迟结冰效果(延长1.80-2.36倍)和低能耗(0.09 W-1.82 W)的电热效果(45℃-246.9℃),实现了疏水防冰功能;(4)线间距增加至200μm,获得扫描速度与石墨烯线宽之间呈线性负相关关系,实现了超疏水性能(151°)和延迟结冰效果提升(延长2.23-2.61倍),验证了电热效应的除冰效果,实现了稳定防冰和高效除冰功能的耦合。综上所述,激光诱导石墨烯技术在主动/被动复合型防除冰功能一体化制造方面具有优势和潜力,且能够实现结构的精准调控和稳定的性能,为复合型防除冰表面设计与制备提供了新思路、新方法。

关键词：激光诱导石墨烯线阵列疏水表面防除冰延迟结冰电热除冰

生物质材料激光诱导石墨烯制备与应用研究进展

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林业工程学报 2024年第3期9卷 22-31页

作者：李荣荣郑佳雯任娜刘妍南京林业大学家居与工业设计学院南京210037

石墨烯作为一种新兴的二维纳米材料,凭借其独特的物理结构和化学性质,已广泛应用于各个领域。激光诱导石墨烯技术可将自然界中广泛存在的含碳生物质材料以低成本、高环保、更快捷的方式制备出石墨烯材料。首先,对可用于激光诱导石墨烯... 详细信息

石墨烯作为一种新兴的二维纳米材料,凭借其独特的物理结构和化学性质,已广泛应用于各个领域。激光诱导石墨烯技术可将自然界中广泛存在的含碳生物质材料以低成本、高环保、更快捷的方式制备出石墨烯材料。首先,对可用于激光诱导石墨烯的生物质材料种类进行总结,分析、比较了不同生物质材料制备激光诱导石墨烯的方法及工艺特点;其次,详细阐述了激光诱导石墨烯的应用领域及其性能特征,并对其发展趋势进行了总结与讨论。总结现有研究结果认为:激光诱导技术适用于多种生物质前驱体制备石墨烯,并通过制备条件(气体环境、激光光源、材料预处理)优化与组合,可实现生物质材料定向诱导改性;激光诱导石墨烯具有良好的抗菌性、电学性能、特定的电阻率等特性,且激光诱导技术具有效率高、工艺简便、成本低廉、图案可控等优势,促成其在抗菌、智能家居系统、超级电容器和传感器等领域表现出巨大的应用价值与良好的应用前景。通过对激光诱导石墨烯领域的相关研究进行综述,为创新石墨烯制备技术提供了理论指导,也为拓宽该领域的研究和应用提供了思路。

关键词：激光诱导石墨烯生物质材料抗菌性能智能家居超级电容器传感器

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基于激光诱导石墨烯的太赫兹超材料滤波器

激光与光电子学进展 2024年第9期61卷 403-408页

作者：张绪宋瑞琦宗顾卫吴双悦王磊南京邮电大学电子与光学工程学院柔性电子(未来技术)学院东南大学毫米波国家重点实验室南京大学固体微结构物理国家重点实验室

设计并制备了一种基于激光诱导石墨烯（LIG）的太赫兹超材料滤波器。首先，研究了不同激光加工参数下生成LIG的电学特性，然后通过太赫兹时域光谱仪测得滤波器的透射性能。当结构单元周期为500μm时，滤波器在0.55 THz处的透射率为74.2... 详细信息

设计并制备了一种基于激光诱导石墨烯（LIG）的太赫兹超材料滤波器。首先，研究了不同激光加工参数下生成LIG的电学特性，然后通过太赫兹时域光谱仪测得滤波器的透射性能。当结构单元周期为500μm时，滤波器在0.55 THz处的透射率为74.2%。通过改变滤波器的结构周期，中心频率可增至0.65 THz。该滤波器同时具有振幅偏振相关特性，随着入射太赫兹波偏振方向与x轴夹角θ的增加，其透射率逐渐降低。LIG法制备简单、成本低廉，有望用于制备各种太赫兹超材料器件，在太赫兹传感、探测和通信等领域有着一定的应用前景。

关键词：太赫兹超材料滤波器激光诱导石墨烯

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基于激光诱导石墨烯的木制惯性导航单元

光子学报 2024年

作者：李晨李浩杨研伟西安交通大学机械工程学院陕西科技大学机电工程学院西安交通大学制造系统工程国家重点实验室

针对商用低精度惯性导航单元具有高成本、制造工艺复杂、废弃后污染环境、不能生物降解等缺点，提出一种低成本、可生物降解的木制惯性导航单元。该设计包含平衡振子和非平衡振子单元，分别用于测量3轴加速度和3轴角加速度。采用激光诱... 详细信息

针对商用低精度惯性导航单元具有高成本、制造工艺复杂、废弃后污染环境、不能生物降解等缺点，提出一种低成本、可生物降解的木制惯性导航单元。该设计包含平衡振子和非平衡振子单元，分别用于测量3轴加速度和3轴角加速度。采用激光诱导石墨烯的工艺在木梁上制备应变传感器阵列，并形成多组惠斯顿电桥测量电路。结果表明：加速度方面，X轴灵敏度为0.006 mV/g,Y轴灵敏度为8.695×10-4mV/g,Z轴灵敏度为0.200 mV/g；角加速度方面，X轴灵敏度为0.285 mV/(rad/s2)，绕Y轴旋转的灵敏度为0.305 mV/(rad/s2)，绕Z轴旋转的灵敏度为0.765 mV/(rad/s2)。与有限单元法仿真结果对比，实验测量误差在10%以内，且具有良好的重复测量精度。该惯性导航单元在木制船舶、木制载具、木制家具等方面具有潜在的应用前景。

关键词：惯性导航单元激光诱导石墨烯陀螺仪加速度计木材

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基于激光诱导石墨烯的应变传感器研究进展

化工进展 2024年

作者：慕铭赵伟伟陈光孟刘小青中国科学院宁波材料技术与工程研究所宁波大学材料科学与化学工程学院

激光诱导石墨烯（LIG）是通过激光直接照射碳前体得到的一种三维多孔石墨烯材料。凭借制备过程简单、可任意图案化、价廉质优等优势，LIG在柔性应变传感器领域受到极大的关注，已广泛应用于医疗健康、运动监测、人机交互等领域。本文着... 详细信息

激光诱导石墨烯（LIG）是通过激光直接照射碳前体得到的一种三维多孔石墨烯材料。凭借制备过程简单、可任意图案化、价廉质优等优势，LIG在柔性应变传感器领域受到极大的关注，已广泛应用于医疗健康、运动监测、人机交互等领域。本文着重介绍了LIG的制备工艺，激光参数、碳前体及掺杂改性等影响其结构-性能的因素，以及LIG在柔性应变传感器应用的最新进展，其中激光参数包括激光功率和扫描速率、图像密度、焦距及气氛环境；碳前体包括芳香族聚合物和天然材料；掺杂改性包括原位掺杂和后处理掺杂。指出开发生物兼容性高、可降解的碳前体是电子产品可再生性和可持续性的重要需求，大变形、快响应是LIG基柔性可穿戴传感器的探索目标，多功能传感集成是LIG基柔性可穿戴传感器的发展趋势。

关键词：电子材料复合材料纳米结构激光诱导石墨烯应变传感器

基于激光诱导石墨烯的复合材料电加热结构实验研究

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复合材料科学与工程 2024年

作者：张迪超严刚于鑫飞南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室

为了应对飞机高空飞行时防除冰的需求，本文提出采用激光诱导石墨烯技术制备具有电加热功能的复合材料结构的方法。根据机翼前缘结冰特点，设计了中间密集、两边稀疏的波浪形加热线形式，利用激光诱导石墨烯技术快捷、高效、成本低的优... 详细信息

为了应对飞机高空飞行时防除冰的需求，本文提出采用激光诱导石墨烯技术制备具有电加热功能的复合材料结构的方法。根据机翼前缘结冰特点，设计了中间密集、两边稀疏的波浪形加热线形式，利用激光诱导石墨烯技术快捷、高效、成本低的优点，通过二氧化碳激光器在聚酰亚胺纸表面诱导出石墨烯加热线图案，并将其与复合材料预浸料共固化形成层合结构。进行了一系列电加热实验，测试和分析在一定电流作用下结构表面竖直与水平方向的温度分布规律以及对一定厚度和质量冰层的电加热融化情况，验证了所提出和制备的复合材料电加热结构的可行性和有效性。

关键词：激光诱导石墨烯复合材料结构电加热功能电加热实验测试

基于激光诱导石墨烯电学成像的复合材料结构损伤监测

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复合材料科学与工程 2024年

作者：于鑫飞严刚周登南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室

针对军用飞机遭受导弹和炮弹及其碎片高速冲击的情况，提出具有自感知功能的复合材料层板结构对损伤进行监测。采用激光诱导技术在聚酰亚胺纸表面制备石墨烯感知层，并共固化于复合材料层板中，结合电学成像技术对损伤进行感知与识别。... 详细信息

针对军用飞机遭受导弹和炮弹及其碎片高速冲击的情况，提出具有自感知功能的复合材料层板结构对损伤进行监测。采用激光诱导技术在聚酰亚胺纸表面制备石墨烯感知层，并共固化于复合材料层板中，结合电学成像技术对损伤进行感知与识别。在复合材料层板结构遭受高速冲击前后分别对石墨烯层注入激励电流并测量边界电压数据，通过正则化算法重建损伤引起的电导率变化分布图像，并识别获取损伤信息。实弹射击试验结果表明，聚酰亚胺纸上激光诱导的石墨烯层具有良好的感知功能，结合电学成像重建的损伤图像可以较准确反映出损伤的位置，并提供损伤近似尺寸等信息，验证了所提出的自感知复合材料层板对高速冲击损伤监测的有效性。

关键词：激光诱导石墨烯自感知复合材料结构高速冲击损伤监测电学成像

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基于激光诱导石墨烯的木制惯性测量单元

光子学报 2024年第2期53卷 150-159页

作者：李晨李浩杨研伟陕西科技大学机电工程学院西安710021 西安交通大学机械工程学院西安710049 西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室西安710054

针对商用低精度惯性测量单元具有高成本、制造工艺复杂、废弃后污染环境、不能生物降解等缺点,提出一种低成本、可生物降解的木制惯性测量单元。该设计包含平衡振子和非平衡振子单元,分别用于测量3轴加速度和3轴角加速度。采用激光诱导... 详细信息

针对商用低精度惯性测量单元具有高成本、制造工艺复杂、废弃后污染环境、不能生物降解等缺点,提出一种低成本、可生物降解的木制惯性测量单元。该设计包含平衡振子和非平衡振子单元,分别用于测量3轴加速度和3轴角加速度。采用激光诱导石墨烯的工艺在木梁上制备应变传感器阵列,并形成多组惠斯顿电桥测量电路。结果表明:加速度方面,X轴灵敏度为0.006 m V/g,Y轴灵敏度为8.695×10^(-4)m V/g,Z轴灵敏度为0.200 m V/g;角加速度方面,X轴灵敏度为0.285 m V/(rad/s^(2)),绕Y轴旋转的灵敏度为0.305 m V/(rad/s^(2)),绕Z轴旋转的灵敏度为0.765 m V/(rad/s^(2))。与有限单元法仿真结果对比,实验测量误差在10%以内,且具有良好的重复测量精度。该惯性测量单元在木制船舶、木制载具、木制家具等方面具有潜在的应用前景。

关键词：惯性测量单元激光诱导石墨烯陀螺仪加速度计木材

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