力电作用下石墨烯纤维的多尺度力学与压阻行为及其传感器件原理研究

Graphene fiber (GF) is one of graphene-based assemblies and applicable structures in engineering, such as sensor, capacitive energy storage and wearable electronics.. In this project, the multi-scale mechanical properties and piezoresistive effect of graphene fibers and GF-based devices are investigated by using experimental and numerical methods. Novel methods, including coarse-grained molecular dynamics method and coarse-grid model will be developed to study the deformation and failure of GF subjected electro-mechanical loadings; A electro-mechanical experimental system will be built to validate the numerical models; The piezoresistive properties will be tested for establishing the piezoresistive constitutive relations of GFs. Then for a GF-based structure, the experiment and finite element simulation will be carried out to analyze its deformation, failure and piezoresistive response, serving the principle design and performance evaluation of the GF-based devices.. In this study, the deformation and failure mechanism of GFs in the electromechanical fields will be investigated and the macro- and micro-scale principle of the GFs' piezoresistive effect will be revealed through developing the new numerical model and experiment technology. It is of great significance and importance for promoting research and application of graphene fibers.

石墨烯纤维（GF）是石墨烯的一种集合体形式和工程应用的重要结构形态，在传感器、电极和柔性电子器件方面具有广阔的应用前景。. 本项目研究石墨烯纤维的多尺度力学性能和压阻效应以及传感器件的设计原理。发展新的粗粒化分子动力学和粗网模型，研究石墨烯纤维在力电作用下的变形与破坏行为；搭建力电共同作用实验系统，测试石墨烯纤维的微结构演化、变形与破坏性能，并实现理论与实验的相互验证；测试石墨烯纤维的压阻系数，建立应力-电导率之间的压阻本构关系；对以石墨烯纤维为单元的一维和二维结构形态进行变形、破坏、压阻实验和数值分析，对石墨烯纤维压阻传感器件进行原理设计，并定量评估其传感性能。. 本项目通过发展新的数值模型与实验技术，揭示石墨烯纤维在力电作用下的变形与破坏机理、压阻效应的宏微观原理，对于石墨烯的基础研究和工程应用具有重要的学术意义和应用价值。

由石墨烯在纤维基底表面随机堆叠制成的石墨烯复合材料纤维，表现出良好的压阻性能，由其制成的传感器件具有灵敏度高、响应快、可伸缩、可折叠的优点，在可穿戴设备、柔性机器人和智能康复医疗服务等领域有着广阔的应用前景。但是，有限的实验研究难以建立宏观性能与微观结构的一般联系。本项目针对石墨烯复合材料纤维，从理论分析与数值模拟方面进行了多尺度压阻性能研究，并研发了实验设备。主要内容包括建立了反映石墨烯复合材料微观结构变形特征的力学模型，发展了石墨烯复合材料压阻性能的计算方法，研究了石墨烯复合材料的压阻机理和压阻性能，建立了力电联合加载测试系统。. 本项目建立了层叠石墨烯复合材料的压阻分析模型，发展了压阻性能计算的有限单元法，分析了石墨烯滑移、分离对压阻性能的影响；建立了面内随机分布石墨烯复合材料压阻分析模型，研究了石墨烯复合材料的压阻行为，分析了石墨烯形态、电流密度云图对于相对电阻-应变曲线、灵敏度系数-应变曲线的影响，揭示了石墨烯复合材料宏观压阻性能的微观机理；提出了石墨烯复合材料压阻性能计算代表单元的确定方法，证实石墨烯复合材料的初始方阻是确定代表单元的关键参数；发展了接触电阻、隧道电阻为主导的石墨烯复合材料压阻性能计算的等效电阻法；推导了石墨烯复合材料的非线性压阻本构关系，并进行了有限元实现。建立了相对电阻-应变实验曲线与压阻系数的联系，对现有商业软件进行了二次开发，实现了在宏观尺度上进行石墨烯复合材料的压阻性能计算；基于微纳米拉伸系统，开发了具有力电联合加载、压阻性能采集的实验技术和系统。. 依托本项目，课题组发表SCI论文25篇，中文期刊论文4篇，发明专利7件，国内外学术会议报告37次，出站博士后1名，毕业博士生6名，毕业硕士研究生11名。