环氧树脂基泡沫炭是一种具有三维海绵状结构的新型炭材料, 独特的网状泡孔结构使其具有高孔隙率、耐高温、耐腐蚀、导电/导热可调等性能, 应用前景广阔。但是环氧树脂的石墨化困难, 本工作以石墨烯为异质成核改性剂, 用以提高环氧树脂泡沫炭的石墨化程度、电导率和力学性能。采用简单的发泡、炭化和石墨化工艺制备了石墨烯改性环氧树脂泡沫炭。石墨烯异质成核剂诱导了泡沫炭碳微晶生长, 增加了碳晶格条纹长度, 减少了碳晶体混乱。研究表明, 不含或含质量分数0.05%石墨烯改性泡沫炭的晶面间距、晶粒堆垛高度、石墨化度分别为0.343 nm、3.35 nm、8.42%和0.342 nm、10.22 nm、23.2%。此外, 石墨烯作为晶胞成核位点会影响泡沫炭的平均晶胞尺寸, 随着石墨烯含量的增加, 泡沫炭平均晶胞尺寸先减小后增大。同时, 石墨烯改性增大了泡沫炭的有序结构, 提高了其导电性, 当石墨烯的质量分数为0.05%时, 泡沫炭电导率为53.8 S·m^-1。相对于纯泡沫炭(压缩应变为0.0096%), 质量分数0.01%、0.02%、0.05%和0.10%的石墨烯改性泡沫炭压缩应变增加至0.208%、0.228%、0.187%和0.1146%。本研究为碳纳米材料/泡沫炭制备、碳结构和性能调控提供了新的研究方法。

为探究飞秒激光烧蚀金刚石的烧蚀特征及机理，进行了飞秒激光加工CVD单晶金刚石实验及温度场仿真模拟研究。研究了飞秒激光能量密度、扫描速度、扫描次数对金刚石烧蚀区内纳米结构的影响。研究表明，金刚石被加工区域出现了沿着110晶向的微裂纹，在微槽边缘区域形成了周期为100~230 nm的纳米条纹，微槽中心区域形成了周期为460~640 nm的纳米条纹，且纳米条纹的形貌与激光加工参数密切相关。通过实验获得了金刚石的烧蚀阈值为3.20 J/cm²，且当激光能量密度为24.34 J/cm²时，金刚石的烧蚀速率为44.8 nm/pulse，材料去除率为4.34×10^-10 g/pulse。拉曼检测发现，微槽底部的金刚石发生了石墨化，理论计算的石墨层厚度为11.1 nm。根据不同激光能量密度下拉曼峰的频移计算飞秒激光辐照后金刚石微槽内的残余应力，当激光能量密度增加至24.34 J/cm²时，残余拉应力增大至1 389 MPa。温度场仿真结果表明，飞秒激光加工金刚石的材料去除主要是以金刚石升华为主，且飞秒激光辐照能量大多集中在金刚石的表层，几乎不会通过热传导扩散到金刚石内部。

为了研究石墨化过程中煤的分子结构有序化轨迹, 选取湖南、 陕西19个不同变形-变质程度高煤级煤为研究对象, 采用工业分析、 元素分析、 X射线衍射分析(XRD)和拉曼光谱分析(Raman)等手段, 结合分峰拟合的数学方法, 对系列样品分子结构参数(XRD结构参数, 如石墨化度、 延展度L_a、 堆砌度L_c及面网间距d₀₀₂等; Raman参数, 如P_G, P₁, R₁, R₂等)进行了统计与计算。 研究结果表明: 煤化作用阶段H/C随变质程度增加而逐渐减小, 但在石墨化阶段以物理变化为主, 其趋势变缓或不显著; XRD参数d₀₀₂, L_a, L_c, N及L_a/L_c等随变质程度呈现非线性连续(阶跃性)变化, 拐点大致对应R_m=7.0%, d₀₀₂=0.338 nm, 拐点之前L_a, L_c及N变化较小(或平稳增大), 拐点之后石墨晶体结构快速形成, 微晶尺寸增大, 拼叠作用开始并逐渐增强; L_a/L_c变化亦反映石墨化过程由缩合作用向拼叠作用转变。 高煤级煤石墨化轨迹可按有序化增加的三阶段模型来表述, 无定形碳(无烟煤)至变无烟煤阶段, G峰位、 峰位差P₁变化显著, I_D1/I_G在表达无序程度时不服从TK关系; 变无烟煤至半石墨阶段, 即从石墨化开始结构演化轨迹呈现不同方向, R₁随着有序的增加呈现截然相反的轨迹, 部分石墨组分演化服从TK关系, R₂在石墨化度为45%时呈现截然相反的轨迹; 石墨阶段温、 压作用导致微晶尺寸急剧增加(或阶跃), I_D1/I_G减小服从TK关系。 当不同石墨化程度的新生组分共存时, d₀₀₂不足以代表样品最大的演化程度, 但其作为平均度量来标度高煤级煤石墨化过程中结构演化特征仍为较优的选择, 且(002)和(γ)峰半峰宽能较好地区分石墨化煤的变质类型, H/C, I_D1/I_G亦随d₀₀₂演化轨迹不同, 需利用d₀₀₂<0.344 0 nm, R₁<2.0, H/C<0.12等综合指标判别石墨化的开始。 由此可以看出, 采用XRD和Raman光谱分析技术可以表征高煤级煤石墨化轨迹阶段性以及结构的差异性。

采用短脉冲激光诱导等离子体辅助加工技术加工金刚石微结构，研究短脉冲红外激光的光强、脉宽、重复频率、靶材与金刚石基片之间的距离等加工参数对金刚石的加工线宽、槽深以及加工效果的影响。当用脉冲宽度大于4 ns的激光作用在方向良好的单晶金刚石上时，光热作用明显，诱导产生金属等离子团的能量密度达到一定阈值且复合短脉冲激光能量作用下，单晶金刚石表层温度迅速上升至600°C以上，此时金刚石表层产生了刻蚀微结构；当用脉冲宽度小于4 ns的激光轰击靶材表面时，短脉冲激光轰击靶材诱导金属等离子团，可实现背面溅射相关金属靶材，当等离子体密度达到微刻蚀阈值时也可实现金刚石背部刻蚀以及石墨化。短脉冲红外激光的脉宽、重复频率决定了沉积/刻蚀加工效果。本文研究表明短脉冲激光诱导等离子体辅助加工技术是一种新型可靠的金刚石微结构加工工艺。