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关键词： 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物   力学性能   电阻式传感器   电容式传感器   摩擦纳米发电机  

摘要： 随着技术的不断发展,柔性可穿戴电子设备受到了广泛关注。苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（Styrene-Butadiene-Styrene,SBS）凭借多项优势适用于柔性设备。SBS力学性能弱、耐溶剂性差和功能化低限制了应用。本文通过对SBS进行化学接枝修饰,设计并制备高性能的SBS弹性体,有效提高了材料的机械性能,详细研究了其增强增韧机制。在经过修饰后的高性能SBS弹性体中加入导电组分,对其导电性、灵敏性和环境稳定性等多种性能进行评估,并进一步探究了其在柔性可穿戴电子设备的实际应用。本文的研究内容如下: （1）通过将不饱和烯烃单体丙烯酰胺（Acryla Mide,AM）接枝到SBS弹性体上,制备了SBS-g-AM,在SBS-g-AM的基础上加入三（4-氨基苯基）胺进行化学交联,得到机械性能优异的弹性体基材。修饰后的弹性体的断裂伸长率和拉伸强度分别为918%和9.78 MPa。弹性体机械性能的提升主要来源于分子链共价交联和相分离的产生。弹性体的热稳定性提高了50℃。为了拓宽弹性体的应用,在弹性体中加入石墨烯,制备出传感器。基于SBS固有的可拉伸性和可压缩性,组装为电阻式压力传感器,并将其应用于书写传感识别。 （2）通过调控马来酸酐（Maleic An Hydride,MAH）与SBS的反应条件,成功地制备了拉伸强度为30.95 MPa、韧性为134.16 MJ/m3、耐溶剂性和抗穿刺性的弹性体基材。弹性体机械性能增强的主要原因是MAH的加入带来的共价交联与微相分离的出现。通过将弹性体基底与碳纳米管混合来实现柔性和可拉伸传感器的制备。基于这种可拉伸导电弹性体组装的电容式传感器具有快速响应特性,可用于人体运动检测。此外,使用这种材料作为摩擦电纳米发电机的摩擦层,显示出848 V的高开路电压和20μA的短路电流,制备的摩擦纳米发电机具有优异的稳定性和3.8 W/m2的高功率密度。 （3）基于前期工作得到的SBS-g-AM,与对苯二甲醛反应引入亚胺键,成功构建了具有动态交联网络的自愈合弹性体。弹性体的初始抗拉强度为1.88 MPa,经过一次热压可以恢复到原始拉伸强度的82%,在90℃自愈60 min恢复到原始材料拉伸强度的94.4%。可回收和自愈合特性主要来源于亚胺键的动态特性,使材料在受损伤后还可以恢复。自愈合弹性体具有优异的透光性。使用自愈合弹性体与液态金属（Liquid Metal,LM）复配,制备性能优异的可愈合导电弹性体。基于上述得到的导电复合薄膜组装成电阻式应变传感器,应用于莫斯密码,实现对信号的精确感知和重复识别。 用三种不同的策略对SBS经行修饰,并将修饰后的弹性体与导电组分复配。使用导电弹性体制备和组装了三种传感器。为推进智能柔性传感技术的研究提供了新的方案,并为其未来融入能量采集设备奠定了基础。

关键词： 夹层多模光纤MZI   微弯传感器   心率   呼吸率   心冲击图  

摘要： 近年来,人类对于心脏病与睡眠呼吸暂停综合征疾病的关注度越来越高,这些疾病与人体心率（HR）与呼吸率（RR）息息相关。能够有效准确地对人体HR与RR进行监测成为当前一个热门的研究话题。现在被使用的人体HR与RR的检测设备主要为电学类传感器,这些设备通常都是接触式的,在对使用者监测的过程中,需要与使用者的皮肤进行直接接触,这大大的降低了使用者的舒适度,并且很大情况下会导致测量的结果与日常不符。同时这类设备的抗电磁干扰能力差,容易引入电磁噪声,这将会增加测量难度。基于床垫式的光纤传感器虽然可以避免上述问题,但是由于嵌入进床垫中导致光纤传感器的灵敏度太低,并且使用者要躺在床上才可以进行监测。因此,可穿戴式光纤传感器被逐渐应用于人体HR和RR监测领域。其中,光纤马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer,MZI）因为其制作简单,灵敏度高等原因被广泛制作成可穿戴设备。本论文设计了一种可穿戴式夹层多模光纤MZI微弯传感器,并将其应用在人体HR与RR的监测研究中。本论文的主要内容如下: （1）详细介绍了夹层多模光纤MZI传感器的结构和工作原理。在Comsol仿真软件中分析渐变型多模光纤（graded-index multimode fiber,GIMMF）的纤芯传输模式LP-LP,采用Rsoft仿真软件计算不同长度的阶跃多模光纤（stepped index-multimode fiber,SIMMF）以及GIMMF对光纤传输光谱的影响,最终将SIMMF与GIMMF的长度设置为2 mm与2 cm。使用微弯变形器对夹层多模光纤MZI传感器进行封装用来提高压力灵敏度以及保护光纤,将微弯变形器的微弯间距Λ与微弯数量N分别设置为1 mm与18用来获得更高的灵敏度,并对封装后的夹层多模光纤MZI传感器的压力灵敏度进行了分析。 （2）使用高精度光纤切割装置与光纤熔接机制作了夹层多模光纤MZI传感器。通过实验研究了夹层多模光纤MZI传感器的曲率与应变灵敏度,最大灵敏度分别为-21.75 d B/m和0.00135 d B/με,得出了对曲率响应度高的结论,因此可以通过加入微弯变形器使夹层多模光纤MZI传感器的性能得到提升。使用硅胶管、紫外胶水、非弹性材料魔术贴制备了微弯变形器,并通过魔术贴实现与可穿戴式胸带集成。对封装完成后的夹层多模光纤MZI微弯传感器进行微压力实验,得到了约98 d B/N微压力灵敏度,实验结果表明夹层多模光纤MZI微弯传感器非常适合测量微压力的生理信号。例如心跳信号、心冲击图（BCG）信号以及呼吸信号。 （3）将可穿戴式夹层多模光纤MZI微弯传感器放置在心尖搏动区,去获得心跳信号,BCG信号以及呼吸信号。实验针对了5名男性和5名女性受试者分别在坐、站以及躺着的姿势下进行监测实验,使用平均误差（ME）、平均绝对误差（MAE）和平均绝对百分比误差（MAPE）以及它们所对应的标准差对实验误差进行了分析,结果均符合ANSI/AAMI EC13-2002标准。将所有HR数据进行了汇总并计算ME、MAE、MAPE以及其对应的标准差用来与市面上的其他设备进行对比分析,可穿戴式夹层多模光纤MZI微弯传感器的参数分别为-0.1±5.3 bpm、3.8±3.7 bpm以及4.9±4.9 bpm,均要高于市面上所认可的对比设备。计算出总体的HR与RR的Pearson系数为0.92与0.90,这意味着可穿戴式夹层多模光纤微弯MZI传感器达到了医疗设备的水平。并且发现对不同性别的受试者在不同姿势下进行监测时,HR的值会有所差异,具体体现为男性的HR会比女性的低;坐着姿势下的HR要低于站着的时候,并且高于躺着的时候。除此之外,可穿戴式夹层多模光纤MZI微弯传感器还能够测量BCG信号,对BCG信号的波形进行了分析,发现I、J和K特征峰均可以被识别,并且部分的数据中成功测量出F～N波,这表明传感器的灵敏度非常高,并且其准确度及一致性均符合标准。

关键词： 面积型缺陷   超声检测   灵敏度   工艺技术  

摘要： 面积型缺陷是在三维空间中整体呈现为二维状的缺陷类型。面积型缺陷端部应力高度集中，极易向前方扩展，面积型缺陷是非常危险的，危害性大。常规无损检测的A型超声检测技术在对接焊接接头质量检测中发挥着重要作用。超声检测对面积型缺陷检测灵敏度较高，本文针对未熔合、裂纹这种典型面积型缺陷的检测技术工艺技术进行分析和研究。

关键词： 激光器   受激布里渊散射   窄线宽   单纵模   光纤谐振腔  

摘要： 光纤布里渊激光是实现窄线宽激光器的重要技术方案，光纤谐振腔的品质因子（Q值）越高，产生的布里渊激光线宽越窄。通过增加光纤谐振腔长度同时减小其自由频谱宽度，将耦合Q值提升到1010以上。利用超高精度的PoundDrever-Hall （PDH）锁定技术，在光纤谐振腔自由频谱宽度远低于布里渊增益带宽的情况下，实现单纵模布里渊激光的产生，其边模抑制比大于70 d B。此外，采用参考激光外差法、延时自外差法、共腔激光外差法三种方式对光纤布里渊激光器的线宽进行严格测试，实现亚毫赫兹（sub-m Hz）量级的布里渊激光基础线宽。

关键词： 折射率   U型光纤   瑞利散射   分布式传感  

摘要： 折射率是材料的重要参数，对于折射率的检测和测量，已广泛应用在化学分析、环境保护和医疗卫生等诸多领域。其中，弯曲（U型）光纤是实现折射率传感的最简单结构，利用光纤的U型弯曲损耗可以受到弯曲光纤外部环境影响的基本原理，结合普通单模光纤高柔韧性不易折断等优点，提出了一种基于U型光纤中瑞利散射光谱探测的高灵敏度、结构简单和价格低廉的分布式折射率传感方案。当弯曲直径为0.7 cm时，在1.333 0～1.377 3的折射率测量范围内，其灵敏度达到42.57 nm/RIU的最佳值，并呈现良好的线性传感响应，使得医用等一次性廉价折射率传感探头的使用和普及成为可能。

关键词： 空芯负曲率光纤   少模光纤   弱耦合   限制损耗  

摘要： 随着数据流量的迅猛增加,传统的单模光纤通信系统面临着容量不足的挑战。为了应对这一挑战,研究人员探索了在时间、幅度和空间等多个维度上对信息进行复用的方法。在这些技术中,模分复用技术利用不同正交模式独立传输信号,成为提升传输速率、扩展系统容量的关键突破性技术之一,在缓解容量紧缩问题方面的展现出巨大潜力。传统实芯光纤通常具有高非线性、高瑞利散射、低损伤阈值以及高色散等固有缺陷,这限制了模分复用技术的发展。而空芯光纤以空气作为纤芯导光介质,具有低非线性、低色散、宽带宽、低传输延迟和高损伤阈值等优点,在光纤通信及高功率激光传输等应用场景具有广阔的发展前景。其中,空芯负曲率光纤的纤芯模式与介质重叠率低,模式纯度高,并且通过改变玻璃壁厚即可实现对工作频段的灵活调谐,因此备受关注。目前,单模空芯负曲率光纤的损耗已经降低至与实芯光纤同一水平,并在光纤通信系统中得到了广泛的研究。然而,当前对于空芯负曲率光纤的少模传输特性方面的研究报道不足。与传统少模光纤相比,少模空分负曲率光纤具有极低损耗、低差分群时延、低非线性系数、低模式串扰等优点,各模式之间耦合程度较弱,有效避免了模间串扰,使其更具吸引力。本文从空芯负曲率光纤导光机理出发,结合弱耦合低损耗的基本要求,借助COMSOL Multiphysics有限元仿真软件,设计并仿真了两种新型低损耗弱耦合的少模空芯负曲率光纤,主要研究内容概括如下: 首先,提出了一种基于对称双环嵌套管结构的新型弱耦合少模空芯负曲率光纤设计,通过在包层区域引入多个反谐振层,减少纤芯与包层模式耦合,实现了六种纤芯模式的低损耗传输。其主要结构参数为嵌套管壁厚t=1.12μm,相邻管间隙g=0.5μm,嵌套小圆管与包层圆管半径比k=0.4,纤芯半径R=24μm。在400 nm带宽（1.23-1.63μm）范围内,纤芯中的六个模式均保持低损耗（<0.01 d B/m）稳定传输,并且模式之间的有效折射率差大于1×10。此外,当弯曲半径为7 cm时,各模式在一定工作波长范围内（380 nm）具有较低的弯曲损耗。之后对光纤的关键结构参数进行了偏移±1%的公差分析,结果表明,该光纤仍保持低损耗弱耦合的传输特性。 其次,设计了一种新型椭圆嵌套管结构的少模空芯负曲率光纤,在包层区域增加了反谐振层以及额外的负曲率边界,实现了低损耗的少模传输特性。该光纤能够支持六种不同的模式独立传输信号,其主要参数包括包层管厚度t=1.12μm,相邻包层圆管间隙g=3.5μm,椭圆嵌套管的椭圆率k=0.7,以及纤芯半径R=25μm。在450 nm的宽波段内（1.25-1.7μm）,所支持的六种模式都能以低于0.001 d B/m的损耗保持弱耦合传输,并且前五个模式的限制损耗均低于3×10d B/m。同时,研究发现当光纤弯曲半径为7 cm时,各模式在特定波长范围内（500 nm）仍能保持低损耗传输。通过对主要参数进行公差分析,结果表明,所设计的低损耗少模空芯负曲率光纤具有一定的制造可行性。

关键词： CO2   光纤Bragg光栅   高分子聚合物   光催化还原   在线监测  

摘要： 化石燃料是一种不可再生的资源,其形成是一个长期过程,它们的消耗会使得大气中二氧化碳（CO）的排放量急剧增加,这会导致温室效应加剧。如何减少环境中的CO含量、实现CO循环利用已经成为人类关注的热点话题。当前关于CO脱除方法主要包括吸收、储存和转化等;其中光催化CO还原是光催化剂利用太阳能将CO转化为具有高附加值的化学品和燃料的绿色新型技术,该技术已成为国际前沿研究热点。虽然当前关于光催化还原CO的研究很多,但光催化CO还原过程原位实时检测技术还十分落后,非常缺乏对光催化CO还原过程CO浓度原位实时检测方法。这使得我们无法清晰地认识光催化还原速率、过程机理和规律,无法有效控制和优化光催化还原CO系统,最终导致光能利用效率和还原性能低下。因此,研究适用于光催化还原CO体系内准确实时在线监测的光纤传感器对深入探讨光催化还原CO机理、提高催化性能至关重要。本文针对光催化还原CO体系内CO浓度原位实时在线检测技术落后,导致无法准确获取光催化还原CO速率的问题,提出光纤Bragg光栅原位获取光催化还原CO速率的新方法。首先构建一种聚合物共混涂敷光纤Bragg光栅CO传感器,建立传感器测量理论模型,研究光栅结构参数、CO敏感膜成分及厚度对传感灵敏度、检测限、响应速度的影响,获得高性能CO光纤Bragg光栅传感器。在此基础上,构建光催化还原CO反应器装置,利用CO光纤Bragg光栅传感器原位实时检测光催化体系CO浓度变化信息,进而获得光催化还原CO速率。其主要研究内容包括以下3个方面: （1）CO浓度光纤Bragg光栅传感器构建:提出一种新的CO传感器的制备方法,通过将高分子共混聚合物涂覆至光栅表面以实现对CO检测。为免疫温度变化和高湿环境对光纤Bragg光栅CO传感器检测CO过程的影响,采用氧化硅疏水涂层和温度补偿光栅来对传感器进行温湿度补偿。实验结果显示,刮涂法制备的高分子聚合物膜致密均匀,当聚合物膜厚度为50μm时,涂覆15层氧化硅疏水薄膜,传感器同时获得较高的响应灵敏度和更快的响应时间。传感器在温度30-70℃、湿度20-80%RH范围内,能够稳定响应CO浓度变化,具有10.80 pm/%的灵敏度和小于7.2%的相对误差。 （2）光催化还原CO反应体系构建:为提升光催化还原CO催化性能,制备了Ge O、g-CN以及g-CN/Ge O光催化剂,采用SEM、XRD以及XPS对材料进行表征。表征结果说明,Ge O及g-CN两种材料可以很好的混合至一起,成功制备出了g-CN/Ge O光催化剂。随后设计了光催化反应器并将不同的光催化剂涂覆至其内壁上,使用电化学平台对催化剂进行光电流、光电化学特性以及电化学阻抗进行分析,分析结果说明g-CN/Ge O具有更好的光电化学特性。最后,为测试不同光催化剂的光催化还原性能,搭建了气相色谱仪检测系统对光催化还原CO过程中不同光催化剂的还原产物进行离线检测并对其催化产物进行定性定量分析。实验结果说明三种光催化剂的光催化还原产物主要是H、CO以及CH,其中Ge O并不具备光催化还原CO的能力,相对于g-CN来说g-CN/Ge O在5 h内催化产物最多。 （3）光纤Bragg光栅CO浓度传感原位实时检测光催化还原CO反应器内CO浓度变化信息,用于解析光催化还原CO速率:利用光纤Bragg光栅CO浓度传感与温度光纤Bragg光栅传感器监测光催化还原CO反应器中CO浓度和温度变化信息。利用传感器研究光催化成分、光催化剂负载量及反应器内湿度对CO还原速率的影响。实验研究发现,受光照射下反应器内温度呈现先上升后趋于稳定;反应器内CO浓度随时间逐渐降低,并且使用g-CN/Ge O的光催化其催化速率最快;结果说明,当g-CN/Ge O负载量为0.1 g、湿度为80%及CO浓度为100%,其催化性能最优,传感器测得反应器对CO还原速率为0.37 m M/h。