【摘要】：由于獨(dú)特的螺旋形貌和多晶-非晶交織的內(nèi)部結(jié)構(gòu),碳納米線圈表現(xiàn)出優(yōu)良的力、熱、電、光等物理特性。國內(nèi)外對(duì)碳納米線圈電學(xué)特性的研究相對(duì)充分,提出了電子的跳躍傳導(dǎo)模型。對(duì)于力學(xué)特性的研究,在描述其機(jī)械振動(dòng)上缺少相應(yīng)的理論和模型。對(duì)于熱學(xué)特性的研究,僅得到了熱導(dǎo)率的初步測(cè)量結(jié)果。在物理特性的機(jī)理解釋上,結(jié)晶結(jié)構(gòu)如何影響其物理特性,特別是力、熱特性,目前仍舊不明確。本論文對(duì)碳納米線圈的力、熱、電特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究,并力求從結(jié)構(gòu)本質(zhì)上對(duì)其物理特性進(jìn)行解釋。論文第二章利用電致振動(dòng)的方法研究了碳納米線圈的力學(xué)特性。通過連續(xù)介質(zhì)理論和材料力學(xué),推導(dǎo)出了描述準(zhǔn)一維螺旋狀納米線振動(dòng)的方程和計(jì)算楊氏模量的理論模型,并以此計(jì)算得到碳納米線圈的楊氏模量在數(shù)至數(shù)十吉帕之間。通過微觀結(jié)構(gòu)表征的方法,發(fā)現(xiàn)碳納米線圈的石墨化程度越高,楊氏模量越小。論文第三章利用瞬態(tài)電熱技術(shù),系統(tǒng)測(cè)量了單根碳納米線圈的熱擴(kuò)散系數(shù)、熱導(dǎo)率、比熱容和電導(dǎo)率,及各參數(shù)在290至10 K的溫度范圍內(nèi)的溫度特性曲線。研究發(fā)現(xiàn)熱導(dǎo)率溫度曲線在75 K處存在峰值。比熱容為本征屬性,其溫度曲線與碳納米線圈結(jié)晶程度無關(guān)。利用阻熱系數(shù)(熱擴(kuò)散系數(shù)的倒數(shù))的概念,計(jì)算得到碳納米線圈聲子傳輸?shù)奶卣骶钟虺叽缭? nm左右,與碳納米線圈實(shí)際晶粒尺寸相當(dāng)。該特征局域尺寸越大,碳納米線圈的熱擴(kuò)散系數(shù)和電導(dǎo)率越大。在前兩章的研究基礎(chǔ)上,論文第四章測(cè)量和測(cè)定了碳納米線圈楊氏模量、熱擴(kuò)散系數(shù)和電導(dǎo)率之間定量的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系。通過理論推導(dǎo),得到各特性參數(shù)與石墨晶粒尺寸間簡(jiǎn)明的線性比例關(guān)系,將力、熱、電和結(jié)構(gòu)特性一一對(duì)應(yīng)起來。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)酒精可通過缺陷和空隙擴(kuò)散到碳納米線圈中并改變其物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)。本章的研究進(jìn)一步確認(rèn)了納米石墨晶粒在電子和聲子傳輸中起到的局域態(tài)和量子點(diǎn)的作用。碳納米線圈因其獨(dú)特的螺旋結(jié)構(gòu),在可拉伸傳感器的應(yīng)用上有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。論文第五章將碳納米線圈與金納米應(yīng)變薄膜相結(jié)合,制備了一種微納尺度的可拉伸應(yīng)變傳感基元。通過磁控濺射在碳納米線圈表面沉積了金納米薄膜,研究了該復(fù)合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)控制、電子傳輸和應(yīng)變響應(yīng)。所制備的傳感基元應(yīng)變范圍和靈敏度系數(shù)分別達(dá)到了 10%和5。利用四探針法對(duì)該傳感基元在拉伸下的實(shí)時(shí)電阻變化進(jìn)行了測(cè)量。因測(cè)量需要,我們開發(fā)了一種基于碳納米管束的柔性電學(xué)探針。利用鎢探針從垂直排列碳納米管陣列中抽取出碳納米管束,并利用靜電、激光和酒精等對(duì)其形貌和性能進(jìn)行了修飾和優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)該探針在納米線電阻測(cè)量、動(dòng)態(tài)檢測(cè)和無損檢測(cè)中具有較明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。論文第六章利用可拉伸的聚二甲基硅烷基底一步粘取碳納米線圈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)薄膜,制備了一種超拉伸高靈敏的可穿戴應(yīng)變傳感器。對(duì)該傳感器在拉伸、壓力和彎曲等應(yīng)變下的傳感特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。該傳感器最大拉伸量達(dá)到了 260%,靈敏度系數(shù)最大達(dá)到192,響應(yīng)時(shí)間小于12ms。論證了該傳感器在諸如人體脈搏、輕微振動(dòng)和重物沖擊等各類不同應(yīng)變檢測(cè)方面的應(yīng)用前景。本論文的工作填補(bǔ)了碳納米線圈力、熱特性研究方面存在的不足和空白。從結(jié)構(gòu)本質(zhì)出發(fā),描繪了碳納米線圈物理特性的理論圖像。充分利用碳納米線圈獨(dú)特的螺旋形貌和優(yōu)良的力、電特性,分別為微納和宏觀尺度提供了靈敏、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的可拉伸應(yīng)變傳感單元。
【圖文】：

學(xué)和電磁學(xué)方面直觀的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，例如納米彈簧、微型電磁器件和微波吸收等［４３４６］。１９９３逡逑年，Ｉｈａｒａ等人利用理論計(jì)算預(yù)測(cè)了螺旋碳納米管的存在１＃。他們?cè)谟商剂h(huán)構(gòu)建而逡逑成的碳納米管中成對(duì)嵌入五元環(huán)和七元環(huán)，形成正負(fù)曲面。如圖１．１所示，，這些成對(duì)的逡逑五元環(huán)和七元環(huán)的周期性嵌入便形成了規(guī)則了螺旋碳納米管。理論研[偙礱鰨菪寄懾義廈墜芫哂薪鶚糶�、皻枥^逍院桶虢鶚糶裕郟矗福蕁＃保梗梗茨輳冢瑁幔睿緄熱嗽諭干淶繾酉暈⒕抵蟹㈠義舷至司哂泄嬖蚵菪峁溝穆菪寄擅墜埽郟矗梗蕁９諭庋芯康奶寄擅紫呷次哂脅煌潭儒義希卞澹義希咤濉濉邋五濉濉濉逡誨濉澹濉濉邋五邋五濉義

本文編號(hào)：2671924