高压功率放大器在三维石墨烯应变传感网络研究中的应用

　　实验名称：高分辨三维石墨烯应变传感网络及其自监测变形器件

　　研究方向：针对复杂变形场下的高精度感知需求，研究基于三维石墨烯网络的新型应变传感体系。重点突破多级微结构调控（冰模板定向冷冻制备梯度孔隙结构，孔径50nm-20μm）、应变-电耦合建模（建立多尺度关联模型，GF达120@50%应变）、智能噪声抑制算法（卡尔曼滤波结合机器学习补偿温漂）三大核心技术。通过等离子体界面修饰与PVDF压电耦合设计，实现0.1%微应变监测（信噪比>40dB）及自供能运行（转换效率15.3%），解决传统传感器在柔性电子、变形机翼等场景中的多维应变分辨与动态稳定性难题。

　　实验目的：旨在开发高灵敏三维石墨烯应变传感网络，通过微结构设计与多模态信号耦合机制实现材料变形自感知，并集成形状记忆聚合物构建兼具电驱动变形与实时自监测功能的智能器件，为柔性电子、软体机器人及航天可展开结构提供高分辨率、宽量程、环境鲁棒性强的应变监测解决方案。

　　测试设备：化学气相沉积炉、扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、电子万能试验机、数字源表、红外热像仪、动态热机械分析仪（DMA）、声级计、函数发生器、功率放大器、数字示波器。

　　实验过程：采用化学气相沉积法在泡沫镍基底上生长单层石墨烯泡沫（GrF/Ni），经PDMS溶液浸渍-旋涂固化后，通过FeCl3溶液刻蚀去除镍骨架，冷冻干燥获得三维柔性SLGF材料。使用电子万能试验机对SLGF施加0.033%-51%动态应变，同步采集Keithley7510数字源表的电阻变化数据，结合LabVIEW平台进行小波去噪与线性拟合；通过红外热像仪监测焦耳热驱动形状记忆聚合物（SMP）的温升曲线，利用高速摄像机（1000fps）记录形状回复过程，最终通过MATLAB实现应变-电阻-温度多物理场耦合分析，建立自监测器件的动态响应模型。

图1三维石墨烯应变传感网络与焦耳热驱动自监测器件的多物理场耦合系统架构

　　实验结果：本研究通过构建三维石墨烯应变传感网络（SLGF）及其与形状记忆聚合物（SMP）的复合器件，系统验证了材料在宽应变范围、极端环境下的自监测性能与功能集成能力。实验显示，这种材料制成的传感器不仅灵敏度极高（微小形变检测达头发丝粗细的千分之一），还能在反复拉伸3000次后保持稳定性能。通过与智能材料结合，传感器可在通电后自动变形并实时反馈自身状态，在-40℃严寒或150℃高温环境下仍能可靠工作。该技术突破了传统传感器只能单独检测形变或需要外部供电的局限，为智能机器人、可穿戴设备和航天器折叠结构提供了更轻便、耐用的自感知解决方案，例如能实时监测自身弯曲状态的柔性机械手，或可自动调整形状的卫星太阳能板。

图2SS1可变形器件在15V电压下的形状回复过程，插图为对应时刻的红外照片

图3SS2在15V电压下的静态热、电性能测试。（a）通电加热过程的红外照片；

（b）相对电阻变化随时间变化曲线（蓝）和平均温度随时间变化曲线（红）

图4SS2在20V电压下的自监测性能测试。（a）形状回复过程的红外照片；

　　（b）相对电阻变化曲线（蓝）和形状回复率曲线（红）

图5SS2自监测可变形器件在不同施加电压下，对自身变形的监测结果。（a）18V（b）22V

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图：ATA-4000系列高压功率放大器指标参数

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