关键词： 透明吸收型超表面   变分自编码器   门控循环单元   协方差自适应进化策略  

摘要： 超表面是二维的超材料,是一种人工层状材料,为亚波长单元在平面上的周期阵列结构。其中,透明吸收型超表面在光窗电磁屏蔽、电磁隐身领域有着广泛的应用。为了设计出具有不同吸收特性(单峰、多峰、一定程度的宽带)的透明吸收型超表面,目前主要有两种方式:一是传统试错法,该方法依靠设计人员的经验和电磁学知识,依赖电磁仿真软件对透明吸收型超表面的微结构进行调整,耗时费力。二是深度学习的方法,搭建深度神经网络生成透明吸收型超表面的微结构,通常在数秒的时间内就能完成设计,但是此类深度神经网络普遍存在“一对多”(One-to-many)问题和“不存在性”(Non-existent)问题。“一对多”问题是指若数据集中存在一对多映射,深度神经网络不能针对一个目标频响输入给出多种具备相应功能的微结构导致设计精度下降的问题,而“不存在性”问题是指深度神经网络输入与数据集中频响差异较大时,会给出随机、错误的结果。 本课题针对目前透明吸收型超表面设计领域中的试错设计法和深度学习设计法两种设计方法存在的问题,基于深度神经网络和协方差自适应调整进化策略,提出了正向和逆向网络。正向网络用于预测透明吸收型超表面微结构的频响,逆向模型用于快速设计透明吸收型超表面微结构。主要的研究内容包括: 1、针对目前无公开高透光性、高吸收率的超表面数据集的问题,本课题采用导体-绝缘介质-导体(Conductor-Insulator-Conductor,CIC)三层结构作为透明吸收型超表面的基础结构,采用“随机矩形对称旋转法”丰富透明吸收型超表面微结构图案,采用CST全波仿真软件获得微结构对应的频响。本课题中数据集共包含70000组数据,其中每组数据由微结构图案,周期,厚度和频响构成。 2、基于卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)、自注意力机制(Self-Attention-Mechanism,SAM)和循环神经网络(Recurrent Neural Network,RNN)提出了用于透明吸收型超表面对应频响预测的频响正向预测模型(Frequency Response Forward Prediction Model,FRFPM)。其中CNN负责初步提取特征,SA和RNN负责寻求超表面微结构图案中像素与像素的耦合关系。该模型的输入是透明吸收型超表面的微结构参数(图案、周期和厚度),输出是对应的频响。经过训练后,该模型可以在数秒的时间给出透明吸收型超表面微结构参数对应的频响,其曲线与仿真频响曲线的平均拟合优度在0.950以上。 3、基于变分自编码器(VAE)、协方差自适应进化策略(CMAES)和所提出的FRFPM模型提出了用于设计透明吸收型超表面微结构图案的逆向模型(Structure Reverse Design Model,SRDM)。由于VAE是先验生成模型,使得CMAES可以针对潜空间中的潜向量进行优化选择。该模型的输入是频响,输出是透明吸收型超表面微结构图案,结构参数由SRDM模型并行运算时择优选择。对于目标频响,该模型能够设计出具备与目标频响差异较小的频响的多组透明吸收型超表面微结构。该模型耗费的时间、资源均远小于传统试错法,微结构设计速度是传统试错法的10～3倍,且该模型解决了其他神经网络设计超表面时存在的“一对多”问题和“不存在性”问题。 4、制备和测试本课题所提出的SRDM模型设计的透明吸收型超表面样件。经过测试,该模型所设计的超表面制备工艺简单,且其频响与仿真结果较为一致。样件在可见光波段的平均透光率在90.00%以上,满足了目标要求。表明了所提出的SRDM模型能根据目标频响设计超表面微结构,可针对单峰、多峰、一定程度的宽带频响设计透明吸收型超表面微结构,并任意调控吸收频率和吸收效率,在航空航天领域有着一定的应用前景。

关键词： 梯度纳米结构   磁性材料   熔体快淬法   复合磁体   磁性能  

摘要： 梯度纳米结构指的是在空间中实现从纳米尺度到宏观尺度具有连续变化的纳米结构，这种结构的优点是能够在空间上实现控制性能的调节，从而实现性能的优化和功能的拓展。磁性功能材料具有广泛的应用领域，如信息存储、电磁波吸收、医学诊断、磁力传感器等。通过控制制备工艺合理设计梯度纳米结构的磁性材料，可以获得独特的微结构与磁性能。本文选择了Nd2Fe14B/α-Fe永磁体与FeSiB软磁体作为研究对象，分析了梯度纳米结构对两种磁体微结构与磁性的影响。　　首先通过控制辊速实现对Nd2Fe14B/α-Fe永磁体梯度纳米结构的优化。条带厚度随辊速的增加而减小，18m/s的辊速下制备的磁体厚度为28μm，自由面与急冷面的硬、软磁相晶粒尺寸差为6nm与1nm，具有梯度纳米结构。该结构导致磁畴壁钉扎和软硬磁相之间的交换耦合的增强，Nd2Fe14B/α-Fe永磁体的矫顽力为5.73kOe，方形度为0.74。同成分均匀结构磁体矫顽力仅为5.64kOe，方形度为0.69。　　其次研究了梯度纳米结构Nd2Fe14B/α-Fe纳米晶复合条带内部微结构与磁性的变化。自由面向急冷面Nd2Fe14B相与α-Fe相晶粒尺寸减小，从23nm与13nm下降至17nm与12nm;α-Fe相含量从35%降至25%，矫顽力平均每微米厚度增加13.4Oe。　　再次通过控制辊速实现对FeSiB软磁梯度纳米结构的优化。13m/s辊速下制备的磁体厚度为60μm，自由面与急冷面的α-Fe(Si)相晶粒尺寸差为12nm，具有明显的梯度纳米结构。辊速从13m/s提高至17m/s时α-Fe(Si)相含量降低，从90%下降至80%。13m/s的辊速时制备的条带饱和磁化强度最大，为20.88kG;25m/s的辊速下条带饱和磁化强度仅为19.58kG。　　最后研究了梯度纳米结构FeSiB软磁条带内部微结构与磁性的变化。自由面向急冷面α-Fe(Si)相晶粒尺寸减小，从25nm下降至13nm;α-Fe(Si)相含量占比从90%下降至70%;饱和磁化强度从20.33kG下降至18.28kG。

关键词： 前驱体   NaCl   多孔炭   微结构   电化学性能  

摘要： 国家“双碳”战略的实施,离不开超级电容器等储能技术的支撑。本文以木质素磺酸铵、沥青、黄腐酸和无烟煤为前驱体,借助NaCl、KOH、NaOH的催化、活化和模板作用合成了具有较高比表面积（SSA）、孔结构可控、导电性良好的多孔炭。对多孔炭的物理化学特性进行了系统表征,探索了NaCl在各多孔炭制备体系中的作用机制,并评价了其用作超级电容器电极材料的电化学性能。以下研究为盐类辅助炭化碳质材料提供了借鉴意义。 在木质素磺酸铵基多孔炭Ma-NaCl-X（X为炭化温度）的制备过程中,基于熔融NaCl的催化活化作用,随着炭化温度升高,Ma-NaCl-900的电导率相较于Ma-NaCl-800突增,Ma-NaCl-1000的SSA和微孔孔容相较于Ma-NaCl-900突增。Ma-NaCl-1000同时具有较高的SSA(1212 m2g-1)和超高的导电性(2535 S m-1),组装的EMIMBF4电解液体系超级电容器在16.8 k W kg-1高功率密度下的能量密度高达16.8 Wh kg-1。具有适宜杂原子含量的Ma-NaCl-700（12.8 at.%）在水系两电极体系中具有较高的比电容(215 F g-1,0.25 A g-1)和卓越的倍率性能(156 F g-1,50 A g-1)。 在沥青基多孔炭AC-NaCl-X（X为炭化温度）的制备过程中,随着炭化温度的升高（800→1100℃）,所制AC-NaCl-850的SSA和电导率突增,AC-NaCl-1100的SSA突降;有序度先降后升,AC-NaCl-900最低（ID/IG=1.67）;杂原子含量逐渐降低,碳元素含量整体处于较高水平（>93%）。AC-NaCl-900具有较高的SSA、中孔率和导电性,在6M KOH水系电解液、两电极体系中具有较高的倍率性能,0.5到20 A g-1的比电容保持率为85.2%。AC-NaCl-1000对应的超级电容器在EMIMBF4电解液中可以提供较高的功率密度(18.0 k W kg-1)和能量密度(6.5 Wh kg-1),与其具有较高的SSA、中孔率和导电性有关。 随着NaCl的加入和添加量的增大,所制黄腐酸基多孔炭HC-NaCl-X（X为NaCl加入比例）的SSA降低,中孔率、有序度和导电性升高。HC-NaCl-4具有适中的SSA(796.8 m2g-1)、超高的中孔率（94.3%）、较高的有序度（ID/IG=1.09）和良好的导电性,在水系KOH电解液、两电极体系中展现出卓越的倍率性能,0.25到30 A g-1的比电容保持率高达93.2%;在EMIMBF4电解液中可以提供较高的功率密度(7.54 k W kg-1)和能量密度(7.54 Wh kg-1)。 以无烟煤为前驱体,通过NaCl辅助NaOH活化制备了微孔/中孔孔容比可调的多孔炭CNN-X（X为NaCl加入比例）。随着NaCl添加量的增大,多孔炭的SSA、中孔孔容、有序度、导电性、碳含量整体呈降低趋势,但微孔孔容升高（CNN-0.5除外）。在较低的NaCl添加量（NaCl/NaOH=0.025）下,所制CNN-0.025即可实现SSA(增幅450 m2g-1)、有序度（ID/IG,2.56→1.44）和中孔孔容（25.7→83.4%）大幅提升的效果。在1M Na2SO4电解液的两电极体系中,CNN-0.025与空白样相比展示出明显增强的倍率性能,在功率密度6.93 k W kg-1下的能量密度为3.85 Wh kg-1。 以无烟煤为前驱体,通过NaCl辅助KOH活化制备多孔炭CKN-X（X为NaCl加入比例）。随着NaCl添加量的增大,相应多孔炭也呈现出SSA、中孔孔容、有序度、碳含量降低而微孔孔容升高的趋势,但其SSA和微孔孔容与空白样相比总体上变化不大。NaCl与KOH的质量比为0.1时,所制多孔炭CKN-0.1与空白样相比,中孔孔容、中孔率和有序度明显升高,碳含量降低。在水系电解液三电极体系中,CKN-0.1从0.5到30 A g-1的比电容保持率较空白样明显提升（45.9→73.6%）;其在EMIMBF4电解液中可以同时提供较高的功率密度12.17 k W kg-1和能量密度20.6 Wh kg-1。

关键词： 助力发射   吸能装置   拉胀超材料   力学特性   冲击动力学   多目标优化  

摘要： 现代战争对火箭武器的威力和射程的要求更高,助力发射火箭武器应运而生,然而助力发射火箭武器在弹射过程中往往会受到较大的冲击,若放任这巨大的冲击能量作用,会对火箭武器系统产生极大损伤,影响发射安全性,因此需要一种可以承担并消耗这巨大冲击能量的缓冲吸能装置。近年来新结构/材料技术发展迅速,具有特殊力学特性的超材料悄然兴起,其中拉胀超材料往往展现出违反直觉的力学行为:受压时横向收缩,受拉使横向膨胀,具有优异的吸能特性,十分适合用作助力发射火箭武器的缓冲吸能结构。 本文基于十字交叉反手性(Criss-cross Anti-chiral,CAC)拉胀结构,用椭圆弧胞壁代替倾斜胞壁,构造出一种新型椭圆交叉反手性(Elliptical-cross Anti-chiral,EAC)拉胀结构,研究了EAC拉胀结构的等效弹性力学特性,准静态条件下的变形模式、抗压强度、泊松比及吸能特性,动态冲击条件下的变形机理、抗冲击强度以及吸能特性,应用EAC拉胀结构设计了适用于助力发射火箭武器系统的缓冲吸能装置,并开展多目标优化设计,以提高其耐撞性,在火箭武器发射过程中更好地保护发射系统,提高发射安全性。 本学位论文的主要工作和研究成果主要包括以下几个方面: (1)研究了CAC和EAC拉胀结构小变形弹性力学特性。在忽略边界效应的基础上,分别基于力常数法和叠加原理,建立了CAC拉胀结构和EAC拉胀结构的等效弹性力学特性理论模型,通过有限元仿真和实验方法验证了理论模型的准确性。结合理论、仿真和实验模型,研究了CAC与EAC拉胀结构的相对密度、相对等效弹性模量、等效泊松比随半轴长度比及厚度半轴长比的变化规律。 (2)研究了EAC拉胀结构大变形塑性力学特性。采用数值仿真的方法分析了在准静态压缩条件下,不同微结构参数对EAC拉胀结构的变形模式、力学特性和吸能能力的影响。根据EAC拉胀结构在准静态压缩条件下的变形机理,基于能量守恒定律和塑性铰理论模型,建立了EAC拉胀结构的大变形塑性力学特性的理论模型,该模型表明EAC拉胀结构的抗压强度仅与基体材料和结构参数相关,并采用实验的方法验证了理论模型和数值模型的准确性。此外针对EAC拉胀结构阶段性变形机理,提出了一个可定量评价EAC拉胀结构在准静态压缩下吸能特性的指标。 (3)研究了在面内不同冲击速度下,EAC拉胀结构的动态冲击力学特性,包括变形模式,抗冲击强度和吸能能力。通过数值计算分析,将EAC拉胀结构的变形模划分为刚度主导模式、过渡模式以及惯性主导模式,分别对应低速冲击、中速冲击和高速冲击,并基于临界速度区域划分方法推导出区分不同变形模式的两个临界速度的半经验公式,得到划分这几个变形模式的临界速度主要由半轴长度比决定,与数值计算结果吻合较好。同时基于系统的数值分析,推导出EAC拉胀结构抗冲击强度的经验公式,其抗冲击强度与结构相对密度和冲击速度关系紧密。 (4)研究了EAC拉胀结构的多尺度静态和动态力学特性。提出了针对EAC拉胀结构的三种多尺度设计方法:层级设计、堆砌设计和梯度设计,建立了EAC拉胀结构多尺度数值模型,并通过实验的方法验证了数值模型的准确性。分析了多尺度参数对EAC拉胀结构相对等效弹性模量、等效泊松比、变形模式和抗冲击强度的影响,结果表明:EAC拉胀结构的相对等效弹性模量和抗冲击强度随层级和堆砌阶次的增大而逐渐增大并收敛,较低的堆砌阶次会导致拉胀结构发生横向弯曲,大大降低结构强度,梯度设计的EAC拉胀结构变形次序总是由弱至强,且有助于提高结构相对等效弹性模量和压缩后期抗冲击强度。 (5)提出了一种基于EAC拉胀结构的助力发射火箭武器的缓冲吸能装置。通过数值方法分析了电磁助力发射火箭武器系统自由弹射状态下关键部位的强度,发现电磁反力会造成结构破坏,需要耗散一部分冲击力来提高发射安全性。建立了EAC拉胀结构的响应面代理模型,通过第二非支配排序遗传算法对助力发射火箭武器缓冲吸能装置进行多目标优化,在保证初始峰值撞击力满足要求的情况下,大幅提高吸能装置的比吸能和平均撞击力水平,降低火箭武器发射系统自身受力和能量耗散,提高发射安全性。 综上所述,本文研究结果对于拉胀力学超材料设计及其在助力发射火箭武器中缓冲吸能装置的应用具有重要的理论意义和工程应用价值。

关键词： 氧化石墨烯   微结构调控   尺度效应   力学性能   应力分布  

摘要： 氧化石墨烯(GO)是一种二维层状材料,具有优异的力学、化学和电气特性,且表面含有丰富的羟基、羧基等含氧官能团,易与高分子聚合物形成界面结合,被认为是实现复合材料力学性能增强和功能化的理想添加剂。为发挥其优异特性,近年来科学家们对氧化石墨烯基复合材料进行研究,获得了一系列轻量化高强高韧兼具功能性的复合材料,为高性能复合材料的设计和制造提供了重要思路。目前研究者分别对低含量、中含量和高含量氧化石墨烯复合材料进行研究,然而不同研究之间复合材料的力学性能差异较大,且底层的力学调控机制没有进行系统的解释。为了使氧化石墨烯更好的应用于诸多重要领域,深入全面了解其力学行为是非常有必要的。为此本文针对氧化石墨烯基复合材料力学行为开展了研究。为了研究影响力学性能的微观调控机制,本文采用溶液共混法制备全含量(在0-100%范围内)氧化石墨烯基热塑性聚氨酯(TPU)复合材料,对其进行准静态拉伸测试和微观表征,并对变形破坏力学行为进行分析。研究发现,GO能够以任意比例与TPU混合,同时随着GO含量的增加,复合材料的拉伸强度呈上升趋势,出现三个强度峰值。通过微观表征和力学分析表明,复合材料内部微观结构逐渐由随机排布转变为有序层状结构,但由于不同的内部缺陷(如GO片层端部聚集、局部强化和过饱和现象),导致力学性能表现出特殊的变化规律。然后结合有限元模拟对其增强机制、破坏模式和载荷传递方式进行利用研究,分析其增强增韧机制。该研究将促进对GO复合材料基本力学性能的深入理解,为复合材料的内部微结构设计提供指导。在上述研究中高含量下氧化石墨烯复合材料仿贝壳层状排列的基础上,本文受三元结构的启发,进一步针对仿生贝壳结构进行了多尺度设计和力学行为研究。通过干法纺丝工艺,设计并构建了不同尺度的同种氧化石墨烯片层和聚乙烯醇(PVA)复合材料,并进行准静态拉伸测试和微观表征。研究表明,不同尺度的GO片层形成的微观结构存在协同效应,能够有效改善全场应力分布(抑制和分散局部应力集中区域),增加能量耗散(引发更多的裂纹偏移),从而在保证材料优异强度的同时提高韧性。此外,采用蒸发自组装和层压固化工艺,可获得大尺寸的轻质高强类贝壳复合材料,并有望实现大规模生产。基于低含量下氧化石墨烯复合材料微结构调控机制研究,本文在明确低含量氧化石墨烯复合材料微观调控机制的前提下,对其电流诱导自修复和通电致热功能进行了拓展研究。结果表明,随着石墨烯含量提升石墨烯-碳纳米管/TPU复合材料的电流诱导自修复性能逐渐提高,这可能与其通电致热功能及其导电性能密切相关,利用该特性可进行电流诱导损伤自修复、通电致热除冰等。综上所述,本文明确了内部微结构调控和尺度效应对氧化石墨烯基复合材料的力学性能和应力分布的影响,并对其生产应用和功能化进行了拓展研究。这对于轻量化复合材料设计制备具有一定的指导意义,也为功能化复合材料提供有价值的参考,并有望在航空航天、汽车、生物医学和能源行业得到重要应用。

关键词： 无铅铜基自润滑材料   表面改性   界面结合   微结构调控   力学与摩擦学性能   协同作用  

摘要： 铜铅合金材料具有较好的力学与摩擦学性能,但铅有毒,严重危害环境和人类健康。因此,开展新型无铅化铜基自润滑材料研究迫在眉睫。本文针对无铅化FeS/Cu-Bi铜基自润滑材料中FeS易团聚、与Cu界面结合不良以及弥散、均匀分布的FeS又会割裂和弱化铜合金基体而引发材料力学与摩擦学性能的强失配等问题,采用表面改性和混合粉末机械合金化工艺,开展FeS表面镀镍和混合粉末微结构调控以及FeS/Cu-Bi复合材料摩擦磨损性能研究,优化配方与制备工艺,并通过建立仿真模型,揭示FeS/Cu基体界面结合对材料摩擦学特性的调控作用机制,明晰了FeS和Bi相的协同润滑作用。论文研究工作为高性能无铅FeS/Cu-Bi铜基自润滑材料研制开发提供理论指导。论文完成的主要研究工作和成果如下: (1)采用硝酸镍包覆FeS和化学镀镍两种方法对FeS颗粒进行改性,并利用高能球磨对混合粉末进行机械合金化微结构调控,研制无铅FeS/Cu-Bi自润滑材料。通过微观组织分析、力学性能与摩擦磨损性能试验研究,表明改性增强了FeS与铜基体的湿润性,使FeS/Cu界面从机械结合转变为冶金结合。FeS化学镀镍改性方法改善FeS/Cu界面结合的材料性能更佳;高能球磨能够细化FeS和Bi相在铜合金基体中的均匀分布;两种工艺方法结合对材料的减摩耐磨性能具有较好协同作用。但高能球磨后FeS的均匀分散对基体的割裂和弱化作用比较明显。 (2)依据正交设计进行不同配方的FeS/Cu-Bi材料摩擦学试验研究,并结合多项式回归分析方法对材料的摩擦系数和磨损率进行分析,优化材料摩擦学性能,表明影响FeS/Cu-Bi自润滑材料减摩耐磨性能的因素依次为FeS含量、Bi含量和球磨时间。配方变化对FeS/Cu-Bi材料减摩耐磨性能影响显著,含5.5%FeS和5.0%Bi的FeS/Cu-Bi材料摩擦学性能相对更好。采用变速球磨方法对初期低速球磨时间进行调整,通过分析混合粉末的微结构演变、材料力学与减摩耐磨性能,进一步优化材料综合性能并揭示调控机制。利用6 h低速球磨能在维持基体连续性不受损伤的前提下使其片状化程度最佳,6+1 h变速球磨较10 h高速球磨对保持铜合金基体的强塑性更加有效,材料综合力学与摩擦学性能更优。 (3)基于FeS改性材料摩擦学试验研究,建立FeS与铜合金基体在不同键合强度下的滑动摩擦仿真模型,结合滑动接触理论分析,揭示FeS改性对材料摩擦学特性的调控作用机制,结合FeS/Cu-Bi材料滑动摩擦实验和数值模拟分析,研究了FeS改性对材料摩擦学特性的影响。结果表明,改性增强FeS/Cu异质相的界面键合不仅能抑制磨损过程中应力所引发的界面失效,使载荷在接触表面形成均匀的负载传递,实现能量耗散避免局部应力集中,而且还能够减弱FeS从磨损表面的快速脱落,缓释FeS颗粒实现其在磨损表面持续和有效供给。随载荷和滑动速度增加,FeS/Cu-Bi材料的摩擦系数和磨损率均先减小后增大,中等载荷和滑动速度下表现出良好减摩耐磨性能。 (4)开展含单一润滑剂和FeS/Bi复合润滑剂的材料摩擦学试验研究,通过对摩擦系数、磨损率和摩擦界面微观结构的演变进行表征,揭示了FeS和Bi相的协同润滑机制。研究表明,FeS/Cu-Bi材料中FeS的存在能够减缓Bi相与基体间的裂纹形成与扩展降低Bi相的剥落,强化材料磨损表面,促使更多Bi相在摩擦界面富集。同时富Bi相的存在又促进了FeS在摩擦界面的留存和富集,二者相互促进形成富Bi与FeS的润滑膜和富Bi与FeS的转移膜摩擦界面,提升材料减摩耐磨性能。改性FeS与铜基体形成冶金结合提升其在磨损表面的留存,进一步减少Bi相剥落,致使富Bi相与FeS的促进作用增强,形成富集润滑剂性能更佳的摩擦界面,材料减摩抗黏着性能得到了进一步发挥。

关键词： 微结构   力学设计   柔性致动器   超材料   缺陷  

摘要： 微结构材料/器件通过精细的微结构设计可实现优异的力学性能和丰富的功能,在航天航空、生物医疗和国防军工等领域具有重要的应用价值。随着增材制造等微结构加工制备技术的迅速发展,复杂精细微结构的设计和制备水平得到了极大提升,然而相关技术精度水平和制备缺陷的影响仍亟需关注。围绕微结构材料/器件的力学设计与制备技术,本文综合实验、仿真和理论分析,基于力学原理设计和制备了微结构柔性致动器,并研究了加工与制备缺陷对典型微结构材料力学行为的影响,以期为微结构材料/器件的力学设计、制备和应用提供参考。主要研究内容和结果如下:(1)具有可编程变形模式的微结构柔性致动器的力学设计与制备。双层柔性致动器具有结构简单、制备方便的优势,但因结构限制其变形模式较为单一。本文通过电化学沉积和粘附转移技术制备了聚吡咯(PPy,致动层)/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET,惰性层)双层柔性致动器,并利用激光切割技术对致动层进行微结构设计,实现了双层柔性致动器的可编程变形模式。该柔性致动器可响应环境湿度变化,产生编程设计的扭转变形。(2)微结构设计影响柔性致动器变形模式及其机理研究。搭建了湿度可控的致动和变形表征平台,实现了湿度调控下柔性致动器变形的实时监测,得到了不同切割角度下柔性致动器随湿度的致动变形规律。进一步,开展了有限元仿真和理论建模分析,探讨了微结构影响柔性致动器变形模式的力学机理。最后,设计和制备了仿黄瓜须攀爬柔性致动器、一体化制备柔性抓手和模块化变形柔性致动器,展示了微结构柔性致动器广泛的应用前景。(3)加工和制备缺陷对微结构材料力学性能影响的研究。受限于增材制造等制备技术发展水平,在复杂精细微结构材料/器件的制备过程中,误差和缺陷不可避免。为了探究加工和制备缺陷对微结构材料/器件力学性能的影响,本文以基于3D打印制备轻质高强的三维八面体点阵和Iso-truss点阵杆系微结构材料为例,通过有限元仿真模拟系统研究了杆件截面尺寸打印误差和杆件缺失两种缺陷对微结构材料力学性能的影响。结果表明,微结构材料力学性能对杆件缺失缺陷更加敏感,且相应的容缺陷能力与杆系点阵结构的超静定次数强正相关。

关键词： 柔性压力传感器   灵敏度   电容   微结构   可穿戴应用  

摘要： 随着人工智能和万物互联时代的到来,智能可穿戴技术越来越受到大家的关注,其中智能感知是实现可穿戴设备功能的重要角色,而柔性压力传感器则是起到这一作用的关键核心,它的应用场景非常广泛,包括医疗健康、智能假肢、运动监测、触觉传感等方面。柔性压力传感器可以将外界施加的压力转换为电学信号,包括电容、电阻、电压等,按照可转换的信号不同主要可分为电容式压力传感器、电阻式压力传感器、压电式压力传感器和摩擦电式传感器。其中,电容式压力传感器因其结构简单、灵敏度高、响应速度快和环境稳定性高而受到广泛研究。获得更高的灵敏度一直是广大科研工作者所追求的目标之一。为了提高传感器的灵敏度,采用微结构设计是目前常用的手段,通过在介电层或者电极层上制作微结构,当施加压力时,微结构会改变介电层的力学性能,一方面可以产生较大的形变,提高其灵敏度;另一方面还可以推后应力下的应变饱和状态,从而对压力的检测范围也有所增大。然而,通过光刻生产模板制作微结构的方式复杂且昂贵,不利于大规模制备,而且只采用单一微结构的传感器性能会受到限制。本文中采用多种微结构相结合并且制作工艺简单、成本低廉的方案制备了三种柔性电容式压力传感器,主要研究成果如下: 1.基于3,4-乙烯二氧噻吩（3,4-Ethylenedioxythiophene,EDOT）原位聚合掺杂热塑型聚氨酯微孔泡沫（Thermoplastic Polyurethanes,TPU）的电容式压力传感器的制备和性能研究。首先利用气相聚合（Vapour phase Polymerization,VPP）的方法,将TPU泡沫在EDOT单体的气氛中进行聚合得到导电聚合物PEDOT,然后进一步优化介电层,在掺杂的TPU泡沫上下两面分别旋涂金字塔微结构的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,PDMS）薄膜。最终优化后的传感器灵敏度高达0.554 k Pa,传感范围为0-30 k Pa,响应时间和恢复时间分别为53 ms、153 ms,最低检测限为6.7Pa,循环稳定性良好（>6000 cycles）。最后设计了不同的可穿戴应用场景,证明了其在点击鼠标、手指弯曲、肘部弯曲等方面的应用潜力。 2.基于钛酸钡（Barium Titanate,BaTiO）嵌饰聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,PDMS）多孔结构的电容式压力传感器的制备和性能研究。首先提出了一种柔性可行性电极的制备方法,即采用TPU静电纺丝膜作为柔性基底,然后使用蒸镀、印刷等方式制作导电层,本文中选择在纺丝膜上真空蒸镀的方法作为电极的制备手段。最终制备的电极具备轻质、柔性、弹性好的优点,介电层选择在PDMS中嵌饰BaTiO纳米颗粒,然后使用盐模板制作多孔结构,最终得到的传感器灵敏度为0.205 k Pa,传感范围为0-40 k Pa,检测限为6.7 Pa,循环稳定性良好（6000cycles）。最后设计了不同的可穿戴应用场景,探究了其在点击鼠标、手指弯曲、腿部弯曲、颈椎弯曲等方面的应用潜力。 3.基于纳米纤维膜和微柱结构相结合的双介电层电容式压力传感器的制备和性能研究。首先提出了一种柔性复合电极,利用PDMS和一维碳纳米管（Carbon Nanotubes,CNT）、二维材料（MXene）物理混合的方式,制备了一体式复合电极,然后采用双层介电层的设计方案来同时实现高灵敏度和宽传感范围,双层介电层分别为一层静电纺丝膜和一层微柱结构的PDMS薄膜,然后对电极进一步做了微结构设计,分别为金字塔和微脊结构。最终优化后的传感器灵敏度为0.023 k Pa,超宽传感范围0-250 k Pa,响应时间和恢复时间分别为71 ms和117 ms,最低检测限为25 Pa,循环稳定性良好。最终设计了不同的应用场景,探究了其在关节弯曲、抓握物体、表情识别等方面的应用,并且还制备了4×4传感器阵列用来进行压力分布识别检测以及设计了一款智能鞋垫用来监测足底情况。