前言

石墨烯是目前已知最薄的材料，具有极高的热导率、电导率、透光率等，被誉为“新材料之王”，其优异性能在世界范围内引发广泛关注，更激发了国内外学者的研究兴趣。作为21世纪的战略性前沿新材料，世界主要发达国家均高度重视发展石墨烯，致力于石墨烯的基础研究和应用开发。经过十余年的发展，我国已成为石墨烯基础研究和应用开发最活跃的国家之一，在石墨烯相关领域产出的论文和专利数量与质量、开发的产品种类等方面都形成了显著优势，成为全球石墨烯行业发展强有力的推动力量，但在高质量石墨烯的可控规模制备和石墨烯器件的高性能制造及产业应用等方面仍面临一系列重要的挑战。

图书是促进石墨烯领域科技发展及产业应用的重要知识传播媒介。目前虽有一些与石墨烯相关的中文图书问世，但这些图书多偏重于石墨烯的基本性质与表征、石墨烯的制备技术、石墨烯的功能化及其复合材料、石墨烯行业的发展报告等，而涉及石墨烯传感器件的著作较少，以石墨烯光纤干涉型传感器为主题的图书更为稀少。因此，编著本书具有重要意义，可为我国基于石墨烯的信息技术的发展提供参考借鉴。

本书以新型石墨烯光纤干涉型传感技术为主线，侧重对科研成果与相关技术现状的分析，具有很强的系统性、知识性、专业性。

本书共分为10章。

第1章是石墨烯光纤F-P传感器概述。介绍石墨烯的力学、光学、热学和电学等基本性质及石墨烯与基底间界面吸附性质；结合石墨烯材料与光纤F-P传感器各自的优势，阐述石墨烯光纤F-P传感器的研究进展。

第2章介绍悬浮石墨烯膜大挠度力学特性。结合石墨烯膜大挠度理论和有限元力学分析，开展对石墨烯膜压力敏感特性的理论建模与仿真分析，研究石墨烯膜中心挠度的应力—应变关系。

第3章介绍石墨烯膜与基底间界面吸附力学行为。总结石墨烯膜与不同基底材料间吸附力学特性的理论与实验研究进展；介绍石墨烯与ZrO ₂ 基底间吸附能的间接测量研究，以及基于纳米金颗粒填充的吸附能的直接测量研究。

第4章介绍石墨烯膜光纤F-P干涉传感特性。介绍非本征型光纤F-P传感器的原理、优势和解调方法；建立薄膜反射率求解模型，并搭建石墨烯膜光纤F-P干涉测量实验平台，获取F-P干涉对比度和石墨烯膜反射率。

第5章介绍石墨烯膜光纤F-P声压传感器。设计制作石墨烯膜光纤F-P声压传感器，并分别通过改变石墨烯膜的转移方法、基底材料和镀膜方法等，研究光纤F-P声压传感的增敏效应；完成了氧化石墨烯波纹膜光纤F-P声压传感器的制作。

第6章介绍石墨烯膜光纤F-P声压放大结构。基于人中耳结构，构建了声压放大结构的力学模型；设计光纤F-P传声器的外置声压放大结构，并进行了声压实验，验证了声场增强效应。

第7章介绍石墨烯膜光纤F-P探头温度敏感特性。应用薄膜大挠度理论、光学介质膜理论与F-P腔内理想气体热膨胀模型，分析温度对石墨烯膜的反射率、F-P微腔结构和悬浮石墨烯膜热变形行为的影响规律，进而提出石墨烯膜光纤F-P压力传感器的温度敏感抑制方法。

第8章介绍石墨烯膜光纤F-P湿度传感器。分析石墨烯膜和氧化石墨烯膜上水分子的吸附对薄膜物理性质的影响及其对光纤F-P干涉信号的影响原理；实验测试石墨烯膜光纤F-P压力传感器的湿度不敏感性，进而设计制备了一种基于氧化石墨烯膜的全光纤湿度敏感探头。

第9章介绍石墨烯膜光纤F-P谐振式压力传感器。总结分析石墨烯谐振器和石墨烯谐振式压力传感器的研究现状；构建基于F-P干涉的石墨烯膜谐振子的振动模型；设计制作以石墨烯圆膜为谐振子的光纤F-P谐振式压力传感器探头，开展压力传感与热力学响应实验。

第10章介绍石墨烯膜光纤F-P谐振式加速度传感器。总结分析石墨烯谐振式加速度计的研究现状；设计石墨烯谐振式加速度计的整体结构，对其特性进行仿真分析；制作了一种基于气腔压力传导的石墨烯膜光纤F-P谐振式加速度传感器，开展谐振特性和加速度效应实验研究。

本书部分内容是作者近年来在国家自然科学基金“基于悬浮薄膜应力调控的声压增强型高灵敏度石墨烯微结构振膜光纤法珀声传感器研究（62173021）”“光纤干涉型石墨烯膜压力传感器性能的影响机理与实验研究（61573033）”、北京市自然科学基金“面向声目标超灵敏感知的石墨烯膜光纤声压传感器增敏方法研究（4212039）”、深圳市科技计划项目“面向航空大气数据测量的石墨烯MEMS压力传感器研究（JCYJ20180504165721952）”，以及航空科学基金“面向声目标超高灵敏探测的石墨烯波纹膜光纤声压传感器（2020Z073051002）”“高灵敏度石墨烯膜光纤F-P微压力测量方法研究（20152251018）”等资助下取得的阶段性研究结果。在此向国家自然科学基金委员会、北京市自然科学基金委员会、深圳市科技创新委员会和航空科学基金委员会表示衷心感谢。

感谢为本书辛勤付出的研究生肖俊、郭婷婷、刘倩文、厍玉梅、高向阳、彭小镔、余希彧、兰天、李子昂、尹浩腾、石福涛、刘欢、肖习、刘宇健、万震、刘洋、董书萱、肖行、王冬雪等，本书介绍的许多工作是由他们具体完成的。

在本书撰写完成之际，笔者要特别感谢自己的恩师——清华大学丁天怀教授，感谢他对笔者20多年来一如既往的关心、指导和帮助。同时，也特别感谢笔者所在教研团队的负责人——北京航空航天大学樊尚春教授，感谢他前瞻的视野、不懈的“传帮带”，指导笔者在石墨烯传感器研究方向上砥砺前行。此外，在撰写过程中，参考并引用了许多国内外专家学者的论著，在此一并表示衷心感谢。

石墨烯传感技术领域的内容广泛且发展快速，由于笔者水平有限，书中难免有错误与不妥之处，敬请读者批评指正。

作者
2024年3月于北京航空航天大学