调谐射频(RF)共振材料和材料配置的制作方法

调谐射频(rf)共振材料和材料配置
1.相关申请的交叉引用
2.本专利申请要求以下美国专利申请的优先权：2020年3月25日提交的名称为“tires containing resonating carbon
‑
based microstructures”的美国专利申请号16/829,355；2020年3月25日提交的名称为“tuned radio frequency(rf)resonant materials”的美国专利申请号16/829,385；2019年3月27日提交的名称为“tuning resonant materials for vehicle sensing”的美国临时专利申请号62/824,440；2020年2月20日提交的名称为“waste energy harvesting and powering in vehicles”的美国临时专利申请号62/979,215；以及2020年3月5日提交的名称为“resonant serial number in vehicle tires”的美国临时专利申请号62/985,550，所有这些申请都转让给本专利申请的受让人；所有在先申请的公开内容被视为本专利申请的一部分并且以引用方式并入本专利申请。
技术领域
3.本公开涉及用于检测材料存在、组成和/或性能的变化的传感器，并且更特别地，涉及用于感测轮胎的层片和/或胎面磨损的技术。


背景技术：

4.包括混合动力和纯电动系统的车辆动力类型的进步为进一步的技术整合创造了机会。随着现代车辆向全自动驾驶和导航过渡，尤其如此，在全自动驾驶和导航中，技术(而非训练有素且有能力的人)必须例行地监测车辆部件性能和可靠性，以确保持续的车辆乘员安全性和舒适性。传统系统(诸如胎压监测系统(tpms))可能无法提供高性能(诸如竞赛)或全自动驾驶应用所需的高保真度。此类应用可能会带来独特的挑战，诸如在要求苛刻的驾驶或竞赛中遇到的快速车辆部件(诸如轮胎)磨损，或无法让能够在车辆操作期间检查轮胎性能的人类驾驶员在场。


技术实现要素：

5.提供本发明内容来以简化形式介绍以下在具体实施方式中进一步描述的一系列概念。本发明内容并不意图确认所要求保护主题的关键特征或本质特征，也不意图限制所要求保护主题的范围。此外，本公开的系统、方法和装置各自具有若干创新方面，其中没有单独方面独自地负责本文所公开的期望属性。
6.本公开中所述的主题的一个创新方面可实现为由至少包括多个层片的主体形成的轮胎。所述多个层片中的至少一个层片可包括共振器，所述共振器被配置来响应于信号而产生共振信号。含碳材料可分布在所述层片的一个或多个部分中并且被配置来更改所述共振信号的至少一个特性。在一些方面，
7.在一些实现方式中，更改所述至少一个特性可包括以下中的一者或多者：与所述多个层片中的一个或多个的磨损量成比例地，使所述共振信号的频率移位，或衰减所述共
振信号，所述多个层片可被配置来通过屏蔽来衰减所述共振信号。衰减量可以是基于所述多个层片中的一个或多个层片的厚度。所述衰减共振信号的幅度可指示轮胎磨损。
8.在一些实现方式中，所述共振器可被配置来在所述多个层片中的相应层片的结构特性大于一定水平时在第一频率下共振，并且可被配置来在所述相应层片的所述结构特性不大于所述水平时在不同于所述第一频率的第二频率下共振。所述共振器可被配置来在基于所述轮胎的转速的频率下振荡。
9.在一些实现方式中，所述共振器的振荡可在从电荷发生装置接收到电荷时发起，所述电荷发生装置可嵌入所述多个层片中的相应层片内。在一些方面，所述电荷发生装置可包括摩擦学部件和碳六边形摩电能量发生器(ch
‑
teng)中的任一者或多者。
10.在一些实现方式中，所述共振器可包括多个三维(3d)聚集体，所述聚集体由石墨烯片形成并且耦接在一起以形成3d分层开放多孔结构。在一些方面，所述轮胎可包括传感器，所述传感器由所述含碳材料形成，使得所述传感器可嵌入所述轮胎的内衬层内。
11.在一些实现方式中，所述多个层片可包括至少：第一层片，所述第一层片包括被配置来在第一频率下共振的第一共振器；第二层片，所述第二层片包括被配置来在不同于所述第一频率的第二频率下共振的第二共振器；以及第三层片，所述第三层片包括被配置来在不同于所述第一频率和所述第二频率的第三频率下共振的第三共振器。在一些方面，所述第一层片可形成所述轮胎的外层。所述第一频率的衰减可指示所述第一层片的磨损或劣化。所述第二层片可布置在所述第一层片上，并且所述第三层片布置在所述第二层片上。所述第一层片、所述第二层片和所述第三层片中的任一者或多者可彼此接触。
12.本公开所述主题的另一创新方面可以包括具有多个层片的主体的轮胎实现。所述多个层片中的每个层片可包括电荷发生装置以及在所述多个层片中的至少一个内的电耦接到所述电荷发生装置的共振器。所述共振器可被配置来响应于由所述电荷发生装置产生的电荷而产生共振信号。胎面围绕所述主体。
13.在一些实现方式中，所述多个层片中的每个层片的至少一部分可被配置来衰减由对应共振器产生的共振信号。衰减量可指示所述相应层片的磨损或劣化。所述多个层片中的至少一个层片可被配置来通过屏蔽来衰减对应共振信号。在一些方面，所述多个层片中的至少一个层片可被配置来基于所述至少一个层片的劣化而改变对应共振信号的频率。
14.本公开所述主题的一个创新方面可实现为包括主体和围绕所述主体的多个层片的轮胎。所述多个层片中的至少一些层片可包括分布在所述至少一些层片中的相应层片的一个或多个部分中的多个碳基微结构。所述至少一些层片中的每个层片可被配置来在一个或多个对应独特频率下共振。
15.在一些实现方式中，所述数个碳基微结构中的一个或多个包括多个三维(3d)聚集体，所述多个3d聚集体由石墨烯片形成并且耦接在一起以形成3d分层开放多孔结构。所述3d分层开放多孔结构可包括中尺度结构化。所述数个碳基微结构中的一个或多个可包括形成在所述3d分层开放多孔结构中的多孔布置。在一些方面，所述石墨烯片可包括单层石墨烯(slg)、少层石墨烯(flg)或多层石墨烯(mlg)中的一者或多者。
16.在一些实现方式中，添加剂材料可被配置来修改所述多个层片中的所述至少一些层片的暴露表面的表面功能性。所述碳基微结构的一个或多个材料特性可被配置来在所述碳基微结构的合成期间限定。
17.在一些实现方式中，所述数个碳基微结构中的每个碳基微结构可以是自组装的。所述碳基微结构可通过均相成核来成核。所述碳基微结构可被配置来至少部分地通过蒸气流动流生长，所述蒸气流动流可至少部分地流到入等离子体附近。所述蒸气流动流可在真空与基本上大气压之间的压力范围下流动。
18.在一些实现方式中，所述碳基微结构可由碳基气态物质生长，所述碳基气态物质可在非平衡条件下通过气固反应控制。所述数个碳基微结构中的一个或多个被配置来响应于来自收发器的ping而在独特频率下共振，所述收发器可与胎压监测系统(tpms)交互。
19.在一些实现方式中，所述数个碳基微结构可被配置来与所述轮胎所经历的磨损程度成比例地衰减一个或多个共振信号。所述衰减共振信号中的相应共振信号的幅度可指示磨损的程度。所述至少一些层片中的每个层片可被配置来通过响应于激励信号而共振来产生所述一个或多个共振信号中的相应共振信号。
20.在一些实现方式中，所述数个碳基微结构中的至少一个在一个或多个已知特征频率下共振。所述至少一个层片的厚度可被配置来至少部分地衰减所述一个或多个已知特征频率的幅度。在一些方面，所述多个层片中的一个或多个层片可被配置来在基于介电常数的变化移位远离所述一个或多个已知特征频率的频率下共振。
21.本公开所述主题的另一创新方面可以包括主体和围绕所述主体的胎面的轮胎实现。所述胎面可包括多个层片。所述多个层片中的至少一些可包括数个微结构，所述数个微结构被配置来在对所述多个层片中的相应层片来说独特的一个或多个频率下共振。所述微结构中的至少一个可被成形为类似于以下中的任一者或多者：卵形、椭圆形、矩形、正方形、圆形、线或线组合。
22.以下附图和描述中阐述本说明书所述主题的一个或多个实现方式的细节。从描述、附图和权利要求将明白其他特征、方面和优点。
附图说明
23.本文所公开主题的实现方式通过举例示出并且并不意图受附图中的图限制。贯穿附图和说明书，类似数字表示类似元件。应注意，以下附图的相对尺寸可能未按比例绘制。
24.图1a呈现根据一些实现方式的原位车辆控制系统，其包括由含碳复合材料形成的各种传感器，所述含碳复合材料被调谐以在被ping时展示期望射频(rf)信号共振和响应。
25.图1b示出根据一些实现方式的分析啁啾信号的信号处理系统，所述啁啾信号通过由含碳调谐rf共振材料形成的传感器频移和/或衰减。
26.图1c示出根据一些实现方式的分析通过自供电遥测产生(或以其他方式与之相关联)的随时间变化的遥测信号的信号处理系统，所述信号通过由含碳调谐rf共振材料形成的传感器频移和/或衰减。
27.图1d是根据一些实现方式的并入车辆轮胎中的与自供电遥测相关的特性的呈现。
28.图2a描绘根据一些实现方式的包括彼此接触的含碳树脂和碳纤维的交替层的感测层压件。
29.图2b1和图2b2描绘根据一些实现方式的如由包括含碳调谐rf共振材料的感测层压件展示的频移现象。
30.图2b3是描绘根据一些实现方式的随偏转量变化的rf共振的理想化变化的曲线
图。
31.图2b4是描绘根据一些实现方式的4层和5层层压件的rf共振变化的曲线图。
32.图2c描绘根据一些实现方式的车辆区域中的表面传感器部署。
33.图2d示出根据一些实现方式的能够与图2c所示的表面传感器部署整合的各种电流产生系统。
34.图2e是根据一些实现方式的与不同类别的车辆中的能量回收示例相关的特性的呈现。
35.图2f示出根据一些实现方式的与车辆的能量采集相关的各种数值的表格。
36.图2g示出根据一些实现方式的与车辆的能量采集相关的各种特性的表格。
37.图2h示出根据一些实现方式的根据极性和/或极化度组织的摩电序中所使用的一系列常见材料。
38.图2i示出根据一些实现方式的处理从由调谐含碳rf共振材料形成的传感器接收的信号的特征分类系统。
39.图3a描绘根据一些实现方式的现有技术的基于压力的电池供电的轮胎状况传感器，诸如可以是胎压监测系统(tpms)的一部分(或以其他方式与之相关联)的传感器。
40.图3b描绘根据一些实现方式的配备有嵌入轮胎层片中的传感器的车辆轮胎的操作，所述传感器具有调谐含碳rf共振材料。
41.图3c描绘根据一些实现方式的从含碳调谐rf共振材料的各个层的rf共振的变化感测的一系列轮胎状况参数。
42.图3d描绘根据一些实现方式的用于通过从分离且独立的反应器中选择含碳调谐rf共振材料以并入单个轮胎组件的主体中来调谐轮胎的多个层片的制造技术。
43.图3e描绘根据一些实现方式的从由调谐含碳rf共振材料层形成的轮胎发射的第一组示例性状况特征。
44.图3f1描绘根据一些实现方式的从由含碳调谐rf共振材料层形成的新轮胎发射的第二组示例性状况特征。
45.图3f2描绘根据一些实现方式的在一些含碳调谐rf共振材料磨损之后从轮胎发射的第三组示例性状况特征。
46.图3f3描绘根据一些实现方式的测量共振特征信号强度(以分贝(db)为单位)相对于轮胎胎面层损失高度(以毫米(mm)为单位)的曲线图。
47.图3g1和图3g2描绘根据一些实现方式的示例性常规碳材料生产链的示意图。
48.图4和图5a是根据一些实现方式的与车辆中的废弃能量采集和供电相关的特性的呈现。
49.图5b示出根据一些实现方式的表示电荷载体(在半导电材料内)在热区与冷区之间流动以形成电压差以允许热电发生器(teg)在低光或无光条件下操作的示意图。
50.图5c示出根据一些实现方式的并入轮胎的主体内的层片或胎面中的针对导电率进行调谐和/或经掺杂以从废热产生功率的碳基材料。
51.图5d示出根据一些实现方式的用于将输出功率同与整合到轮胎中的热电发生功能性相关的热通量的量值(
△
℃)进行比较的图表。
52.图6a是根据一些实现方式的与用于热电转换(诸如当并入复合材料中时)的三维
(3d)石墨烯相关的特性的呈现。
53.图6b示出根据一些实现方式的并入发动机部件中以用于电功率采集的分层正负(pn)结型半导体材料。
54.图7a是根据一些实现方式的轮胎诊断相关能力的呈现。
55.图7b是根据一些实现方式的并入车辆轮胎的橡胶内的常规材料的曲线图，其针对橡胶厚度(mm)比较归一化电容(c/c0)。
56.图7c1示出示意图，其示出根据一些实现方式的用于通过基于阻抗的光谱法进行轮胎磨损感测的完整轮胎诊断系统和设备。
57.图7c2示出根据一些实现方式的通过遥测传输到导航系统和用于制造印刷碳基材料的设备中的轮胎信息。
58.图7c3是根据一些实现方式的与轮胎状况的感测相关的信息的呈现。
59.图7c4至图7c5示出根据一些实现方式的与通过轮胎胎面层和/或轮胎主体层片印刷编码对车辆轮胎进行基于共振序列号的数字编码相关的示意图。
60.图7d示出示意图，其描绘根据一些实现方式的被配置来通过压电能力产生电功率或电流的轮胎带束层片的各种层。
61.图8a至图8b是根据一些实现方式的与通过应用热电发生器(teg)进行的能量采集相关的信息的呈现。
62.图9示出根据一些实现方式的车辆底盘、发动机和传动系的示意性剖面图以显示与常规车辆相关联的(不可用于前向推进动力的)动力系损失。
63.图10示出根据一些实现方式的配备有压电和/或热电电流和/或功率发生器的车辆的示意性剖面图。
64.图11示出根据一些实现方式的先进概念轮胎和各种能量(电流)递送挑战的各种透视示意图。
65.图12是根据一些实现方式的与将石墨烯应用或并入车辆轮胎中相关联的各种特性的呈现。
66.图13a是根据一些实现方式的并入石墨烯填充橡胶并接触地面或硬路面的车辆轮胎的侧视示意图。
67.图13b是根据一些实现方式的与并入车辆轮胎中的摩擦发生器相关的信息的呈现。
68.图14a至图14c示出滚动车轮(根据一些实现方式，配备有单个电极和铜层压聚二甲基硅氧烷pdms贴片)上的电荷发生的示意图。
69.图14d示出根据一些实现方式的摩电功率发生器或马达的示例性转子和定子配置。
70.图14e示出根据一些实现方式的并入车辆轮胎中的与各种替代摩擦功率发生器和固定在橡胶充气轮胎内的可压缩六边形结构化摩电能量纳米发生器(ch
‑
teng)阵列的配置相关的示意图。
71.图14f示出根据一些实现方式的意图并入车辆轮胎内的各种类型的摩电能量发生器配置。
72.图15a是根据一些实现方式的与通过胎压监测系统(tpms)实现的对车辆轮胎的基
于传感器的监测相关的信息的呈现。
73.图15b是根据一些实现方式的并入基板电极的基板的示意性侧视图。
74.图15c是根据一些实现方式的用于监测胎压的基于聚酰亚胺的应变计的示意图。
75.图15d是根据一些实现方式的被配置来检测车辆轮胎胎面变形并且并入陶瓷上砷化镓(gaas)的霍尔传感器的示意性剖面图。
76.图15e至图15h示出根据一些实现方式的与整合在轮胎主体内的钢丝带束上的非接触超声电阻器
‑
电容器(condenser)并联电路相关的各种示意图。
77.图16至图18描绘根据一些实现方式的在其他材料上生长的结构化碳、各种碳纳米粒子、各种基于碳的聚集体和各种三维含碳组件。
78.图18示出根据一些实现方式的图16至图18所示的结构化碳等中的一者或多者的拉曼位移绘图。
79.图20示出根据一些实现方式的轮胎胎面层和/或层片中的组成元件(诸如橡胶)与嵌入元件之内或之间的示例性晶格式布置的透视图示意图。
80.图21是根据一些实现方式的表示在并入车辆轮胎主体层片和/或胎面层中并且处于操作中时与图21所示的共振电路相关联的信号衰减的示例性拉曼强度热图或绘图。
81.图22是示出根据一些实现方式的自组装碳基粒子的示例性配置的示意图。
82.图23a至图23y描绘根据一些实现方式的在其他材料上生长的结构化碳、各种碳纳米粒子、各种基于碳的聚集体和各种三维含碳组件。
具体实施方式
83.本文所公开主题的各种实现方式总体上涉及在车辆部件中(诸如在常规的当前可商购获得的充气(指空气、氮或其他气体填充的)轮胎以及下一代无气实心轮胎的主体的层片内)部署包括碳基微结构的耐用传感器。还存在以下配置：其中具有碳基微结构的此类传感器可(作为轮胎层片实现方式的替代方案，或除此之外)并入轮胎胎面的部分内，胎面指代轮胎圆周上与道路或地面接触的橡胶。随着轮胎的使用，胎面被磨损，从而限制其提供牵引力的有效性，并且还导致至少一些含碳传感器劣化和磨损，使得可由适当配备的部件检测到传感器的缺失。
84.所提及碳基或含碳微结构材料(可用于两种先前论述情境中的任何一种中的实现方式，所述情境包括：(1)在轮胎层片内；和/或(2)在轮胎胎面内)可在飞行中(in
‑
flight)合成(诸如在化学反应器或反应容器内)期间调谐，以相对于诸如由安装在配备有所公开系统的车辆的一个或轮舱内的收发器和/或由电感器
‑
电容器(lc)电路(也称为(可互换地称为)储槽电路、lc电路或共振器)发射的rf信号实现特定预期射频(rf)信号移位(称为频移)和信号衰减(称为信号量值减小)行为。
85.所公开配置独立于移动部分(诸如常规胎压监测系统(tpms)通常所需的那些部分)运行，因此不太易于由于常规道路使用而磨耗，并且可被配置来与预先存在的电子部件(诸如在汽车中实现用于检测和传达轮胎相关磨损的那些部件)通信或以其他方式电协作。由碳微结构制成的所公开复合材料的目标rf共振频率值可通过控制负责反应室或反应器内碳上碳合成(也称为“生长”)的机构来进一步调谐。所公开碳微结构和其他材料可展示相互作用，以产生适用于类似或不同最终用途应用领域的目标性能特性和行为，所述领域诸
如多节低压越野轮胎相较于无胎面的仅赛道干胎。
86.综述
87.引言
88.材料科学和工程的进步使得对碳基微结构材料(包括在分子结构上)的微调能够在指定射频(rf)(诸如从0.01ghz至100ghz)下产生共振、表现出频移行为、和/或衰减(在物理学和无线电信中，指代通量强度通过介质的逐渐损失而使信号消失)，所述指定射频可进一步精细化以适合各种最终用途应用领域的需求。碳基微结构可在反应器中由含碳气态物质自组装或“生长”，以产生华丽的三维分层碳基结构，这些结构可作为传感器嵌入车辆轮胎的主体的一个或多个层片和/或胎面、或某个其他预期车辆相关表面、部件和/或部分等内。
89.配备有所公开材料和系统的车辆周围的环境的变化可影响碳基结构的共振、频移和/或信号衰减行为，使得车辆轮胎性能、寿命、高磨损区域处的劣化的可能性等的即使最微小的异常也可被检测到并实时(指代在此类变化发生时)传达给驾驶员、乘客、或对于全自主(无人驾驶)车辆来说更普遍的车辆乘员。也就是说，以特定集中度水平嵌入轮胎的一个或多个层片和/或胎面内的含碳微结构可一定程度上使信号衰减，使得可准确且重复地确定所述层片或胎面、层的存在。如果暴露以与道路表面(诸如硬路面)接触的胎面(和/或胎面内的层)由于(如在驾驶期间所经历的)与硬路面的反复接触而最终磨损，则所述胎面层对所发射信号的响应(如所发射信号的衰减或缺乏所展示)可指示所述胎面层的存在或不存在，以及磨损程度。天气或其他环境条件的突然或逐渐转变可致使所公开调谐碳基微结构的物理特性发生变化，这可通过观察频移和/或衰减行为的变异来检测。
90.可通过以下方式来检测材料(诸如一个或多个胎面层的表面上或嵌入一个或多个胎面层内的那些)的rf范围共振频率的变化：用图案化共振电路(本文称为“共振器”，其可3d打印到轮胎主体层片上)响应于来自收发器(潜在地安装在一个或多个轮舱内)的信号刺激进一步发射的信号(其具有已知频率)刺激rf共振材料，然后观察由含碳微结构引起的所述发射信号的频移，或者观察(也由含碳微结构引起的)信号衰减的程度。可通过电子方式观察和分析信号的特性以估量当前环境条件，以及天气条件的变化，诸如大雨转雨夹雪(这使道路表面湿滑且极其危险)。此外，设想到在车辆轮胎层片之外的实现方式。例如，因为在车辆正在移动时，空气压力在流过车辆车体部分(诸如分离器、鸭翼、保险杠、侧裙、后翼、扰流板等)时发生变化，包括地面效应，所以空气压力可导致车辆车体的至少一些部分轻微变形(或重定位)，这因此可导致用于形成翼面的形成性碳基材料的rf共振发生对应变化。可观察一个(或多个)rf共振频率的此类变化并且将其与已知且离散的校准点进行比较，以便以(通过常规技术原本无法实现的)非常高的保真度和准确度确定在给定时刻在车辆车体上的一个或多个限定检测点处测量的空气压力。
91.可调谐材料(包括由多种组成物质或材料构成的复合材料)以适应在车辆中实现的轮胎(公路和越野变体)的具体操作需要。在车辆操作期间，其轮胎就物理应力、应变和变形以及振动而言常常会经历极端情况。轮胎可被构造为包括主体，所述主体具有一个或多个内层(称为一个或多个“层片”，其由从主体突出的胎面环绕)，轮胎层片和胎面(包括每个胎面内的一个或多个胎面层)两者由可调谐到特定rf共振频率的材料形成。轮胎的常规使用(诸如在大多数公路轮胎在公路驾驶期间所遇到的情况，或越野轮胎在越野(诸如在山区
或其他不平坦地形)中所遇到的情况)可导致轮胎的部分轻微变形，这可导致用于形成轮胎的任何给定材料的rf共振频率发生变化(在诸如通过由rf信号“ping”来检测所述材料时)。可检测与目前所公开碳基微结构材料中的任一种或多种相关联的共振频率的此类变化(如所发射信号的频移和/或衰减所展示)，然后将其与已知校准点进行比较，以确定轮胎内部的状况(诸如某些区域中的增加的磨损)以及(轮胎外部的)潜在地影响轮胎的环境条件。
92.功能性
93.关于总体系统操作功能性，本文公开涉及用于感测车辆部件变化的整个系统的方法、设备和材料。如上所概述，示出用于构造能够进行以下两者的这种车辆传感系统的项目：使用例如表面植入的碳基微结构材料传感器(如在车辆车身的任何地方所使用)和/或嵌入式传感器(例如，如在轮胎中使用)，(1)感测变化(由于例如环境暴露或过度使用)；以及(2)进行报告。
94.然后提出关于如何通过以下方式检测即使极小量的偏转(诸如由于车辆蒙皮上的空气压力，或由于轮胎中/上的任何外部力施加)的理论基础：进行
‘
ping’(指代rf信号的发射以及稍后的观察和分析)，以便然后处理给定轮胎层片和/或胎面层(或其他如此配备的表面或区域)的如由例如频域回波所展示的“特征”。论述用于校准观察到的信号特征(在测试设置中)和处理返回特征(在操作设置中)的各种机制。
95.还提出用于制造具有呈与弹性体相互作用的调谐碳结构形式的无源嵌入式传感器的轮胎的方法(和相关设备)。论述在ping嵌入式轮胎传感器时返回特征的性质，与用于由多个层片—所述多个层片中的每个层片采用具有不同调谐微观结构的不同调谐碳—制造轮胎的机制一样。这些碳基微结构可以是微米级的，或者替代地，纳米级、微米级及甚至中观级粒子大小直至毫米(mm)水平中的任一种或多种。
96.还探索可在轮胎(以及潜在地其他领域)感测中利用的进一步观察结果，包括：(1)来自ghz和mhz范围内的共振的自供电特征，这可通过例如在汽车轮胎旋转及其与硬路面或地面反复摩擦和/或接触时产生电流的摩擦学功率发生器而成为可能。此类摩擦学部件可整合或以其他方式并入一个或多个车辆轮胎层片中的弹性体层之间的多个钢带束中。
97.值得注意的是，摩擦学(指代与产生能量以形成可用电流或功率相关的摩擦、润滑和磨损的原理的研究和应用)效应通过例如适应电荷移动的导电路径(其可以是至少部分地碳基的)的图案而可供使用。这样做导致形成电荷发生器(如所论述摩电部件所提供)，然后将所述电荷引导到适当配备的共振器(也称为共振电路等)中，所述共振器在放电时具有可调谐自然频率。如本文所用，此自然频率在mhz(或更低)范围内。因此，共振器可由摩电发生器充电(和/或供电)以使共振器共振(并因此发射rf信号)和放电。共振器可被配置来适应重复的充电放电循环，并且可呈具有固有共振值或特性(基于其形成性材料和/或构造)的多种形状和/或图案(包括卵形)中的任一种或多种。
98.共振器的形状或取向的变化可导致任何相关联共振常数的对应变化。因此，由于变形(诸如在静态条件下(像内部胎压)，或在动态条件下(诸如在博斯点上运行时所遇到的那些情况)引起的轮胎物理特性的任何变化可改变共振器的形状或取向。可使用不同图案来对一种类型的变形比对另一种类型的变形做出更灵敏的响应(诸如指代绕曲线移动时所遇到的侧向变形相较于在砾石或粗糙表面上运行时所遇到的垂直运动)。
99.配备的车辆中的单独部件可展示由含碳微结构材料限定的一个或多个独特“特
征”，其中此类特征是由于暴露于khz(或更低)范围内的rf信号产生的。所公开配置包括可使用嵌入式传感器(诸如在轮胎主体层片和/或胎面层中)感测动态操作特性的情况。然而，将上述摩电电荷发生器放置在胎面附近的轮胎层片中可允许以数字方式对轮胎旋转时的振荡进行观察。此类振荡在低赫兹范围内，并且可用于动态感测，像每分钟转数(rpm)，以及相对更加静态的测试，诸如发送胎面磨损的指示。
100.所公开碳基微结构材料可通过以下两种方式支持磨损指示：(1)针对频移和/或信号衰减检测能力的外部来源的
‘
ping’信号发射和/或传输，诸如由放置在车轮的轮舱内或甚至轮辋内的数字信号处理dsp计算机芯片和/或换能器提供的那些；以及(2)由嵌入在例如轮胎层片内以向共振器提供电荷和/或电功率的摩擦学功率发生器促进的轮胎内自供电自ping能力。如上所指示的选项(1)可使用外部收发器(半导体芯片)进行刺激和响应两者；而选项(2)可利用以可由外部接收器(同样诸如半导体芯片，但不一定需要单独供应的传输功率)拾取的方式不断共振的调谐轮胎内共振电路。
101.适当配备和/或准备的接收器、收发器等可在许多不同特征之间进行区分，以非常精确且准确地识别(精确指出)在特定区域处观察到的特定磨损类型，诸如右前轮胎的面向内的侧壁由于以高度变化而特征的赛道上的激进转弯造成的劣化等)。
102.定义和附图使用
103.为了便于参考，下面定义本说明书中所用的一些术语。所呈现的术语及其相应定义并不严格限于这些定义—术语可通过术语在本公开中的使用而进一步定义。术语“示例性”在本文中用于意指用作示例、实例或说明，并且不一定用作表示其种类中最佳者的期望模型。因此，本文中描述为“示例性”的任何方面或设计不一定被解释为优选于或优于其他方面或设计。相反，字词示例性的使用意图以具体方式呈现概念。如本技术和所附权利要求中所用，术语“或”意图意指包含性“或”而不是排他性“或”。除非另有说明，或者从上下文中可清楚看出，否则“x采用a或b”意图意指任何自然包括性排列。也就是说，如果x采用a，x采用b，或x采用a和b两者，则在上述任何一种情况下都满足“x采用a或b”。如本文所用，a或b中的至少一者意指a中的至少一者，或b中的至少一者，或a和b两者中的至少一者。换句话说，此短语是分离的，意指缺少联系或表达在两个相互排斥的可能性之间的选择，例如，“她问他是去还是留”中的“或”。如本技术和所附权利要求中所用的冠词“一个”和“一种”通常应被解释为意指“一个或多个”，除非另有说明或从上下文中可清楚看出它是指单数形式。
104.在本文中参考附图描述各种实现方式。应注意，附图不一定按比例绘制，并且贯穿附图，相似结构或功能的元件有时由相似参考字符表示。还应注意，附图仅意图促进对所公开实现方式的描述—它们并不表示对所有可能实现方式的详尽处理，并且它们并不意图对权利要求的范围施加任何限制。此外，所示实现方式不需要描绘在任何特定环境中的所有使用方面或优势。所公开实现方式并不意图限制权利要求。
105.系统结构
106.图1a示出(意图配备到车辆上的)车辆状况检测系统1a00的框图。车辆状况检测系统1a00可包括传感器，诸如由多种碳基微结构材料、聚集体、团聚体等(诸如由stowell等人在2020年2月7日提交的名称为“3d self
‑
assembled multi
‑
modal carbon
‑
based particle”的美国专利申请序列号16/785,020中所公开的那些)(在本文中统称为“碳基微结构”)构成的调谐rf共振部件108。调谐rf共振部件108可并入车辆上的翼面传感器104、玻
璃传感器1051、轮胎传感器106和收发器天线102中的任一者或多者中，所述车辆诸如常规的驾驶员驾驶的汽车或能够在没有人类驾驶员的情况下操作以移动车辆乘员的全自主运输舱或车辆。
107.调谐rf共振部件108可被配置来诸如通过测量信号频移或衰减与以下中的一者或多者进行电子和/或无线通信：收发器114、车辆中央处理单元116、车辆传感器数据接收单元118、车辆致动器控制单元120和致动器122，所述致动器122包括门、窗、锁125、发动机控件126、导航/抬头显示器128、悬架控件129和翼面配平130。各种调谐rf共振部件108可利用收发器114通过发射“啁啾”信号110和/或“返回”啁啾信号112造成发射rf信号的所观察频率的偏移(称为“频移”，暗指任何频率变化)。对啁啾信号1100的“返回”啁啾信号的参考可指代相对于整合到一个或多个翼面传感器104等中的任一个或多个中的调谐rf共振部件108中的一个或多个的发射啁啾信号110的频移或衰减(而不是来自传感器的信号的实际反射或返回)的电子观察或检测。啁啾信号110和返回啁啾信号112可与车辆中央处理单元116、车辆传感器数据接收单元118、车辆致动器控制单元120和/或致动器122中的任一者或多者通信(并因此还由所述一者或多者访问)。车辆状况检测系统1a00可使用软件和硬件的任何合适的组合来实现。
108.车辆状况检测系统1a00的所描绘各种传感器中的任一个或多个可由碳基微结构形成，所述碳基微结构被调谐为在由发射rf信号“ping”(指代撞击或以其他方式接触)时实现特定rf共振行为。车辆状况检测系统1a00(或其任何方面)可被配置来在任何可设想车辆使用应用、领域或环境中实现，诸如在包括雨夹雪、冰雹、雪、冰、霜的恶劣天气条件期间、泥浆、沙、碎屑、不平坦地形、水等。
109.调谐rf共振部件108可设置在车辆周围和/或其上(诸如车辆的驾驶室、发动机舱或行李箱内，或在车辆车身上)。如图1a所示，调谐rf共振部件可包括翼面传感器104、玻璃传感器105、轮胎传感器106和收发器天线102，其中的任一者或多者可在现代车辆的生产期间在其中实现，或(替代地)改装到预先存在的车辆，无论其年限和/或状况如何。调谐rf共振部件108可部分地使用容易获得的材料形成，所述材料诸如玻璃纤维(诸如，用于翼面)或橡胶(诸如，用于轮胎)或玻璃(诸如，用于挡风玻璃)。这些常规材料可与碳基材料、生长物、团聚体、聚集体、片材、粒子等(诸如在反应室或反应器中由含碳气态物质在飞行中自成核的那些)组合，并且被配制为：(1)改进它们并入其中的复合材料的机械(诸如拉伸、压缩、剪切、应变、变形等)强度；和/或(2)在特定频率或一组特定频率(在10ghz至100ghz的范围内)下共振。可独立于负责控制材料强度的变量来控制掌控材料的rf共振特性和行为的变量。
110.可使用基于射频(rf)的刺激(诸如由收发器114发射或由共振器发射的刺激)将rf信号发射到调谐rf共振部件108、致动器122(等，诸如在调谐rf共振部件108中或其上实现的传感器)以检测它们的一个或多个相应共振频率，以及发射信号的频移和在发射信号的衰减中观察到的模式(它们可受内部或外部条件影响)。例如，如果调谐rf共振部件(诸如轮胎传感器106)已经专门准备(称为“调谐”)为在大约3ghz的频率下共振，则轮胎传感器106可在由3ghz rf信号刺激时发射交感共振或交感振动(指代谐波现象，其中先前被动弦或振动体对与其具有谐波相似性的外部振动作出响应)。
111.这些交感振动可在受激频率下以及源自基本3ghz音调的泛音或旁瓣中发生。如果(调谐rf共振部件108的)调谐共振部件已经调谐为在2ghz下共振，则当调谐共振部件受
2ghz rf信号刺激时，所述调谐共振部件将发射如此描述的交感振动。这些交感振动将在受激频率下以及源自基本2ghz音调的泛音或旁瓣(在工程学中，指代天线或其他辐射源的远场辐射图的不是主瓣的局部最大值)中发生。许多另外的调谐共振部件可位于rf发射器的近侧。可控制rf发射器以首先发射2ghz ping，然后是3ghz ping，然后是4ghz ping，依此类推。这种处于不同且不断增加的频率的一系列ping称为“啁啾”。
112.轮胎主体(诸如图3f1至图3f2大体所示的轮胎主体)内的相邻轮胎层片(诸如彼此接触的轮胎层片)可具有不同浓度水平或配置的碳基微结构，以限定并入在所述(指代相应)轮胎主体层片和/或胎面层内的传感器来在彼此并不谐和的不同清晰频率下共振。也就是说，非谐和层片可确保对特定轮胎主体层片和/或胎面层(或其他表面或材料)相对于其他而言进行清晰且易于识别的检测，而由于谐波引起(或以其他方式与之相关联)的信号干扰造成的混淆的风险极小。
113.收发器114(和/或共振器，在图1a中未示出)可被配置来将啁啾信号110发射到调谐rf共振部件108中的任一个或多个来以数字方式识别来自调谐rf共振部件108中的任一个或多个的啁啾信号111(在图1a中称为返回信号112)的频移和/或衰减。此类“返回”信号108可处理成数字信息，所述数字信息可以电子方式传达到车辆中央处理单元116，所述车辆中央处理单元116与车辆传感器数据接收单元118和/或车辆致动器控制单元120交互，后者基于所接收的传感器数据发送其他车辆性能相关信号。返回信号1120可至少部分地控制致动器122。也就是说，车辆致动器控制单元120可根据从车辆传感器数据接收单元118接收的反馈来控制致动器122以操作门、窗、锁124、发动机控件126、导航/抬头显示器128、悬架控件129和/或翼面配平130，所述反馈是关于如与收发器114通信的调谐rf部件所指示的车辆部件磨损或劣化。
114.基于监测啁啾信号111的行为(诸如频移和/或衰减)来检测道路碎屑和恶劣天气条件可例如导致致动器122触发悬架控件129的对应变化。此类变化可例如包括软化悬架设置以适应在道路碎屑上行驶，而稍后收紧悬架设置以适应如在大雨(且因此低牵引力)条件期间行进可能需要的增强的车辆响应性。车辆致动器控制单元120的这种控制的变化有很多，其中收发器可检测到车辆外部的任何可设想条件(如由啁啾信号110和/或返回信号112的频移和/或衰减所展示)。
115.形成所描述传感器的调谐rf共振部件108中的任一个可被调谐为当在特定频率下受激时共振，其中一个或多个频率中的限定偏移(如由碳基微结构引起)可形成指示传感器并入其中的材料或材料状况的一个或多个信号特征。
116.返回信号112的频移的时间差异或偏差(tdev)(指代所测量时钟源的相位x相对于观察间隔τ的时间稳定性；因此，时间偏差形成指示信号源的时间不稳定性的标准偏差测量类型)(诸如信号特征中所示的tdev)可对应于传感器的环境中的时变变化和/或传感器本身的时变变化。因此，信号处理系统(诸如车辆中央处理单元116、车辆传感器数据接收单元118和/或车辆致动器控制单元120等中的任一者或多者)可被配置来根据tdev原理分析与传感器相关联的信号(诸如啁啾信号110和返回信号112)。这种分析(诸如特征分析)的结果可递送到车辆中央处理单元116，所述车辆中央处理单元116(进而)可将命令传达到车辆致动器控制单元120以用于适当响应动作。在一些配置中，致动器122的这种响应动作可涉及至少一些人类驾驶员输入，而在其他配置中，车辆状况检测系统1a00可完全以自包含方式
运行，从而允许如此配备的车辆在完全无人驾驶设置中出现部件性能问题时解决部件性能问题。
117.图1b示出信号处理系统1b00的框图，其可包括表面传感器160和嵌入式传感器170，其中的任一者或多者可关于如此配备的车辆(指代配备有表面传感器160和嵌入式传感器170的车辆)的环境变化150彼此电子通信。信号处理系统1b00还可包括收发器114、特征分析模块154和车辆中央处理单元116，其中的任一者或多者彼此电子通信。
118.信号处理系统1b00用于一旦由碳基微结构形成的传感器已被刺激就分析信号特征(通过以数字方式观察啁啾信号111和/或啁啾信号110中的任一者或多者的频移和/或衰减来限定，所述频移和/或衰减如对应“返回”信号112中所指示)。作为刺激的结果，在啁啾/ping频率中的一个频率下共振的啁啾信号传感器通过在其对应调谐频率下或附近共振、使发射频率移位、和/或衰减发射信号的幅度来“作出响应”。当在发射啁啾/ping时发生环境变化(诸如导致轮胎主体层片和/或胎面层磨损的环境变化)时，可针对高于或低于调谐频率的调制变化监测“返回”信号。因此，收发器114可被配置来接收表示它们在其上或抵靠其进行ping的表面的“返回”信号112等。
119.前述啁啾/ping信号可由收发器114发射(诸如通过非可听rf信号、脉冲、振动和/或类似传输)。此外，“返回”信号可由相同(或不同)收发器114接收。如图所示，啁啾信号可以重复啁啾(诸如啁啾信号110)序列出现。例如，啁啾信号序列可由包括1ghz ping、之后是2ghz ping、之后是3ghz ping等的图案形成。整个啁啾信号序列可以其整体连续地重复。每个ping之间可存在短暂的时段，使得可在ping结束后立即接收到来自共振材料的返回信号(返回信号112)。替代地或此外，对应于ping刺激的信号和所观察到的“响应”的信号可并发地和/或沿着相同的总体路径或路线发生。特征分析模块可采用数字信号处理技术来区分所观察到的“响应”的信号与ping信号。在返回响应包括跨许多不同频率(诸如泛音、旁瓣等)的能量的情况下，可使用陷波滤波器来对刺激进行滤波。由收发器接收的返回信号可发送到特征分析模块154，所述特征分析模块154进而可将处理后信号发送到车辆中央处理单元116。前面对图1b的论述包括对由含碳调谐共振材料形成的传感器的论述并且也可指代感测层压件。
120.图1c示出信号处理系统1c00的框图，其基本上类似于图1b所示的信号处理系统1b00，因此省略了对相似特征的冗余描述。表面传感器160和/或嵌入式传感器170可指示环境变化150，诸如指代像雨、雪、冰雹、雨夹雪等的降水的环境变化。与表面传感器160不同，嵌入式传感器170(其可嵌入诸如轮胎层片的材料内)可采用自供电遥测和/或由其供电，所述自供电遥测包括同样并入包封相应传感器的材料中的摩擦学能量发生器(图1c中未示出)。因此，摩擦学能量发生器可通过采集在例如旋转的轮胎或车轮与其接触的硬路面之间累积的静电荷来产生可用电流和/或功率，以为共振电路(将在本文中进一步详细描述)供电，然后共振电路可共振以在已知频率下发射rf信号。因此，外部安装的收发器单元(诸如安装在车辆每个轮舱内的收发器单元)可发射rf信号，所述rf信号由在此配置中被摩擦学供电并且嵌入轮胎主体层片中的共振电路进一步传播。发射信号的频移和/或量值衰减同样地例如由特征分析模块154和/或车辆中央处理单元166接收和分析。
121.图1d是根据一些实现方式的与并入车辆轮胎中的自供电遥测(指代在远程或不可接近点处收集测量结果或其他数据以及将其自动传输到接收设备以进行监测)相关的特性
1d00的呈现。如本文所提到的自供电遥测包括：采用轮胎内部的摩擦学电荷发生、所述电荷的存储以及稍后所存储电荷到或穿过共振电路的放电，来利用在共振电路(指代由连接在一起的由字母l表示的电感器和由字母c表示的电容器组成的电路，所述电路用于在一个或多个特定频率下产生rf信号)的放电期间发生的“振铃”(指代负责进一步发射rf信号的共振电路的振荡)。
122.ping刺激总体上可在目前所公开车辆部件磨损检测系统的两种可能配置中的一者中提供，这两种可能配置包括：
123.·
依赖于由刺激源(诸如常规收发器)产生的信号或
‘
ping’，所述刺激源位于轮胎(或意图用于关于持续使用磨损进行监测的其他车辆部件)外部，诸如并入如此配备的车辆的每个轮舱内；或者
124.·
使用轮胎内(指代类似于具有碳基微结构的传感器，同样嵌入轮胎层片中)摩擦学能量发生装置，所述装置可采集自原本废弃的旋转的车轮和/或轮胎和与之接触的地面或硬路面之间的摩擦能量所得的能量。摩擦学，如通常所理解的和本文所提及的，暗指对相对运动中相互作用表面的科学和工程的研究。此类摩擦学能量发生装置可向轮胎内共振装置提供电功率，所述共振装置进而自发射轮胎特性遥测。
125.以上论述的两种“ping”刺激发生器或提供器中的任一者可具有复共振频率(crf)分量，其范围是大约10ghz至99ghz(这是由于例如像石墨烯薄片的结构的小尺寸的共振频率)以及由于所论述轮胎内共振的相对大得多的尺寸的在khz范围内的较低频率共振。总体上，crf可等同于弹性体部件固有共振频率、碳部件固有共振频率、组成部件的比率/整体以及轮胎内共振装置的几何形状的函数。
126.图2a示出由彼此上下设置的多个层构成的感测层压件2a00(其可表示相对于图1a至图1d中所示的传感器论述的任何传感器)的示意性侧视剖面图，所述多个层(依次)包括碳含碳树脂2042、碳纤维2022、含碳树脂2041和碳纤维2021。术语“树脂”(在聚合物化学和材料科学中)总体上指代通常可转换为聚合物(由许多重复亚基构成的大分子或高分子)的植物或合成来源的固体或高粘性物质。合成树脂是工业生产的树脂，通常是通过固化过程转换为刚性聚合物的粘性物质。为了进行固化，树脂通常含有反应性端基，诸如丙烯酸酯或环氧化物。而且，术语“碳纤维”是直径约5
‑
10微米(μm)的纤维，并且主要由碳原子构成。碳纤维具有若干优点，包括高刚度、高拉伸强度、低重量、高耐化学性、耐高温和低热膨胀。
127.含碳树脂2042、碳纤维2022、含碳树脂2041和碳纤维2021中的任一者或多者可通过并入特定浓度水平的上述含碳微结构中的任一种或多种来调谐为在由rf信号ping时展示或表现出一个或多个特定共振频率。感测层压件可包括含碳树脂2042、碳纤维2022、含碳树脂2041和碳纤维2021和/或包含类似或不同材料的更少或更多层中的任一者或多者的任何配置、取向、次序或分层。另外的树脂层可在另外的碳纤维层之间填隙地分层。
128.每个含碳树脂层可不同地配制以在不同的预期或期望调谐频率下共振。材料共振的物理现象可相对于对应分子组成来描述。例如，具有第一限定结构(诸如第一分子结构)的层将在第一频率下共振，而具有第二不同分子结构的层可在第二不同频率下共振
129.具有特定分子结构并且包含在层中的材料在所述层处于低能态时将在第一调谐频率下共振，并且在层中的材料处于感应较高能态时将在第二不同频率下共振。例如，表现出特定分子结构的层中的材料可被调谐为在层处于自然的未变形的低能态时在3ghz下共
振。相比之下，相同的层可在层至少部分地从其自然的未变形的低能态变形时在2.95ghz下共振。因此，可调整这种现象以适应以高保真度和准确度检测例如与道路表面(诸如硬路面)接触并且在特定局部接触区域处经历增强的磨损的轮胎表面的即使最微小的异常的需要。在要求苛刻的赛道(指代以急转弯和快速海拔变化为特征的高技术多风赛道)上比赛的赛车可受益于这种局部轮胎磨损或劣化信息来作出明智的轮胎更换决定，即使在时间敏感的比赛日条件下也是如此。
130.上面所提及的频移现象(诸如从在3ghz频率下共振转变为在2.95ghz频率下共振)参考图2b1至图2b2示出和论述。图2b2描绘如在包括含碳调谐共振材料的感测层压件中表现出的频移现象。
131.如总体上所理解，对于给定元素，原子在自然频率下发射电磁辐射。也就是说，特定元素的原子具有对应于原子特性的自然频率。例如，当铯原子受到刺激时，价电子从较低能态(诸如基态)跃迁到较高能态(诸如激发能态)。当电子返回到其较低能态时，它以光子形式发射电磁辐射。对于铯，发射光子在微波频率范围内；处于9.192631770thz。比原子大的结构，诸如由多个原子形成的分子，也在可预测频率下共振(诸如通过发射电磁辐射)。例如，大量液态水在109.6thz下共振。处于张力下(例如，在水体表面处，处于各种表面张力状态)的水在112.6thz下共振。碳原子和碳结构也表现出取决于结构的自然频率。例如，碳纳米管(cnt)的自然共振频率取决于cnt的管径和长度。在受控条件下生长cnt以控制管径和长度导致控制结构的自然共振频率。因此，合成或以其他方式“生长”cnt是调谐到期望共振频率的一种方式。
132.可在受控条件下形成由碳形成的其他结构。此类结构包括但不限于碳纳米洋葱(cno)、碳晶格、石墨烯、含碳聚集体或团聚体、基于石墨烯的其他含碳材料、工程纳米级结构等和/或它们的组合，其中的任一者或多者根据目前所公开实现方式并入车辆部件的传感器中。此类结构可被形成为在特定调谐频率下共振，和/或此类结构可在后处理中修改以获得期望特性或性质。例如，诸如高强化值的期望特性可通过材料组合的选择和比例和/或通过其他材料的添加来达到。此外，多个此类结构的共置引入另外的共振效应。例如，两个石墨烯片材可在它们之间在取决于片材的长度、宽度、间距、间距形状和/或其他物理特性和/或它们的彼此并置的频率下共振。
133.如本领域中已知，材料具有特定的可测量特性。对于天然存在的材料以及工程碳同素异形体来说都是如此。此类工程碳同素异形体可被调谐为表现出物理特性。例如，碳同素异形体可被工程化为表现出对应于以下项的物理特性：(a)特定组成原级粒子构型；(b)聚集体的形成；以及(c)团聚体的形成。这些物理特性中的每一种影响使用对应特定碳同素异形体形成的材料的特定共振频率。
134.除调谐特定碳基结构以获得对应于特定共振频率的特定物理配置之外，还可将含碳混配物调谐至特定共振频率(或一组特定共振频率)。一组共振频率称为共振廓线(profile)。
135.形成频率调谐材料
136.被调谐为在由rf信号ping时展示特定共振频率的含碳材料(诸如包括碳基微结构的材料)可通过将构成材料的特定混配物定制为具有特定电阻抗来调谐为表现出特定共振分布。不同电阻抗进而对应于不同频率响应廓线。
137.阻抗描述交流(ac)电流过元件的难度。在频域中，由于结构表现为电感器，阻抗是具有实部和虚部的复数。虚部是感抗(电路元件由于所述元件的电感或电容而对电流的抵抗；对于相同的所施加电压，较大电抗导致较小电流)分量x
l
，它是基于特定结构的频率f和电感l：
138.x
l
＝2πfl
ꢀꢀ
(方程1)
139.随着所接收频率的增大，电抗也增大，使得在一定频率阈值下，发射信号的测量强度(幅度)可衰减。电感l受材料的电阻抗z影响，其中z通过以下关系与磁导率μ和介电常数ε的材料特性相关：
[0140][0141]
因此，材料特性的调谐改变电阻抗z，这影响电感l并因此影响电抗x
l
。
[0142]
具有不同电感的含碳结构(诸如anzelmo等人在2019年10月1日发布的名称为“carbon and elastomer integration”的美国专利号10,428,197中所公开的那些结构，所述专利以引用方式整体并入本文)可展示不同频率响应(当用于形成用于上述系统的传感器时)。也就是说，具有高电感l(基于电阻抗z)的含碳结构与具有较低电感的另一含碳结构相比将在更低频率下达到一定电抗。
[0143]
在配制要调谐到特定电阻抗的混配物时，也可考虑磁导率、介电常数和传导率的材料特性。更进一步，观察到：当结构处于张力诱导条件下时，诸如当结构轻微变形(诸如，由此轻微改变结构的物理特性)时，第一含碳结构将在第一频率下共振，而第二含碳结构将在第二频率下共振。
[0144]
图2b1描绘在第一频率下共振的第一含碳结构，第一频率可与包括电容器c1和电感器l1的等效电路相关。频率f1由以下方程给出：
[0145][0146]
图2b2描绘相同的图2b1的第一含碳结构的轻微变形。变形引起物理结构的变化，这进而改变结构的电感和/或电容。这些变化可与包括电容器c2和电感器l2的等效电路相关。频率f2由以下方程给出：
[0147][0148]
图2b3是描绘随偏转量变化的测量共振的理想化变化的曲线图2b300。作为一个选项，曲线图2b300或其任何方面的一个或多个变化可在本文所述的实现方式的上下文中实现。图2b300(或其任何方面)可在任何环境中实现。
[0149]
如图2b3所示的实现方式仅为一个示例。所示曲线图描绘变形(具体地是偏转)的一个方面。当构件或表面因偏转(诸如弯曲)而经历变形时，变形可改变构件在由信号(诸如rf信号)ping时所展示的共振频率。曲线的形状可取决于构件的特性，诸如取决于形成构件或表面的层压件的特性。曲线在小变化下可以是陡峭的，而随着偏转量达到最大值，曲线变
平。此外，曲线的形状部分地取决于层压件的层数、碳结构的几何形状、碳结合到层压件中的方式等。
[0150]
图2b4是描绘4层层压件292和5层层压件294的共振变化的曲线图2b400。作为一个选项，曲线图2b400或其任何方面的一个或多个变化可在本文所述的材料和系统中实现。诸如所描述层压件的材料可部署到许多应用中。一种特定应用是表面传感器，其可部署到遍及车辆的许多位置之中、之上或上面。关于图2c示出和描述一些此类部署。
[0151]
图2c描绘在车辆的所选择位置中的示例性表面传感器部署2c00。示例性表面传感器部署2c00或其任何方面可在暴露于任何可能的外部环境条件(诸如雪、雨夹雪、冰雹等)的车辆之中或之上实现。
[0152]
在各种车辆外表面中的耐用传感器的上下文中，调谐共振感测含碳材料可并入汽车特征、表面和/或部件中或与它们合并。如图所示，车辆在车辆的前整流罩(faring)(诸如引擎盖)上、车辆的支撑构件上以及车辆的车顶上配备有表面传感器。在车辆的操作期间，车辆的前述位置中的每一个都可经受应力和伴随的变形。例如，当车辆处于操作中时(诸如在向前运动期间)，前整流罩传感器将经历空气压力变化。在空气压力的作用下，构成表面的材料会轻微变形，并且根据关于图2b1和图2b2所述的现象，展示与材料的变化或变形程度成比例的材料的共振频率的变化。这种变化可使用前述“ping”和观察技术检测。
[0153]
所观察到的发射信号可共同限定特定材料或表面的特征，并且可进一步分类。可隔离信号的特定特性来进行比较和测量，以确定对应于特定所隔离特性的校准点。因此，可准确且可靠地确定车辆周围环境的各方面。
[0154]
例如，如果表面传感器的变形导致从3ghz到2.95ghz的频移，则可将差异映射到校准曲线，这进而可产生空气压力的值。诸如面板、车顶、引擎盖、行李箱或翼面部件的车辆部件可提供相对大的表面积。在此类情况下，收发器天线可分布在部件的可观察侧。若干收发器天线可分布成阵列，其中阵列的每个元件对应于大表面积的一部分。每个收发器天线可如图所示安装在表面传感器部署2c00的轮舱之上或之内，并且由ping/啁啾单独地刺激。在一些情况下，阵列的每个元件可顺序地受刺激，而在其他情况下，阵列的每个元件并发地受刺激。可通过用于区分来自近侧阵列元件的特征回波的信号处理来在大表面区域之上测量车辆的空气动力学。
[0155]
可相对于其他环境条件和/或其他感测数据来分析来自特定阵列元件的特征回波。例如，可将翼面部件的特定部分的偏转量与翼面部件的不同部分的偏转量进行比较，进而可相对于当时温度和/或当时胎压和/或车辆或其环境的任何其他感测方面来对此进行分析。
[0156]
图2d示出根据一些实现方式的能够与图2c所示的表面传感器部署整合的各种电流产生系统。所示的电动力、光伏、压电和/或振动电流发生系统(包括再生制动系统2d02、电动力系统2d18、光伏系统2d04、风力涡轮系统2d06、光伏和/或振动单元2d08、压电胎压监测器2d10、基于排气的涡轮2d12、能量采集减震器2d14和/或补充动力装置2d16)中的任一者或多者可补充如图2c和其他地方所论述的并入轮胎主体的层片内的摩电能量发生器。
[0157]
再生制动系统2d02可吸收、保持所捕获的在靴的制动片抵靠旋转的制动转子压缩时产生的热能，并将所述热能变换为可用电流以给共振器供电。而且，这种功率可再施加或以其他方式再使用来提供扭矩提升，以增强常规内燃发动机驱动或电池驱动的车辆的即时
离线加速。光伏系统2d04可采集入射光(例如，由于停放在室外阳光下)，而风力涡轮系统2d06可进一步捕获、保持和再施加能量。
[0158]
同样地，振动单元2d08可捕获入射振动能量(诸如由于卡车在如此配备有图2d的所公开系统的停放小汽车附近行驶)，并且压电胎压监测器2d10可捕获由于在不平坦道路表面上行驶时遇到的振动而产生的能量。基于废气的涡轮2d12可捕获并再供应废气(像内燃发动机中的涡轮增压器)以产生可用电功率。能量采集减震器2d14可吸收冲击以保持所述机械能并将其变换为可用电流以供应补充动力装置2d16，从而延长混合动力车辆或纯电动车辆的可用里程。潜在补充功率源和系统太多且广泛以至于无法在本文中具体列出，因此本领域技术人员将了解所公开系统(和摩擦学能量发生器)可与任何可获得的功率捕获和再使用系统一起工作。
[0159]
图2e是与不同类别车辆中的能量回收示例相关的特性的呈现2e00。能源可根据所需电功率量值提供，诸如振动能量捕获装置可保持大约800μw/cm3机器诱发振动的情况。替代地或此外，可从充当电荷携载装置(诸如电容器)的人类身上捕获大约800μw/cm3。适合与任何所公开系统结合的光(光伏)和热(热电)能量捕获和回收装置在大约5℃的温度梯度下可保持和再使用大约0.1
‑
100mw/cm2(对于光伏装置)和60μw/cm2。环境电磁(em)辐射射频(rf)在1v/m场强下可施予大约0.26μw/cm2等等。
[0160]
图2f示出与车辆能量采集相关的各种数值的表2f00。关于2011年与(预计)2021年相比电动车辆(ev)的销售数量(诸如重工业等)以及使用能量采集来给牵引电池充电的百分比示出与能源采集的增长相关的可能情景。
[0161]
图2g示出与车辆能量采集相关的各种特性的表2g00。针对以下电功率范围中的每个范围示出能量采集技术及其对水陆空电动车辆的适用性的示例：(1)微瓦至毫瓦/车辆；(2)毫瓦至瓦/车辆；以及(3)瓦至数十千瓦/车辆。上述功率再生系统按潜在的功率再生和输送能力(诸如微瓦至毫瓦和增大的能力)组织。
[0162]
图2h示出根据一些实现方式的根据极性和/或极化度组织的摩电序中所使用的一系列常见材料2h00。针对所展示正极性和/或极化度指出的示例性材料包括聚甲醛1.3
‑
1.4等，而针对所展示负极性和/或极化度指出的示例性材料包括聚四氟乙烯(特氟龙)等。本领域技术人员将了解，在不脱离图2h和其他地方所示内容的范围和精神的情况下，关于摩电能量发生可能性，可存在其他可能的示例性材料。
[0163]
图2i示出处理从由含碳调谐共振材料形成的传感器接收的信号的特征分类系统2d00。特征分类系统2d00可在任何物理环境或天气条件下实现。图2d涉及将调谐共振感测材料并入汽车部件中以用于对由安装在车辆中的传感器检测到、分类和/或从所述传感器接收的信号(诸如特征)进行分类。在操作270处，传输所选择ping频率的ping信号。ping信号产生机制和ping传输机制可通过任何已知技术执行。例如，发射器模块可产生3ghz的所选择频率，并且使用一个或多个天线辐射所述信号。调谐天线的设计和位置(诸如安装在轮舱或车辆中的任一个或多个之上和/或之内)可对应于任何调谐天线几何形状、材料和/或位置，使得ping的强度足以在附近传感器中诱发(rf)共振。若干调谐天线设置在靠近对应传感器的结构部件之上或之内。因此，当近侧表面传感器受ping刺激时，它共振回特征。可接收所述特征并将其存储在包括所接收特征的数据集276中(操作274)。可在循环中重复传输ping、之后接收特征的序列。
[0164]
可在循环中改变ping频率迭代次数(操作272)。因此，当在循环中执行操作274时，操作274可存储特征278，包括第一特征2781、第二特征2782，直至第n特征278
n
。迭代次数可通过决策280控制。当采取操作280的“否”分支时(例如，当不再有另外的ping要传输时)，则可将所接收特征提供到数字信号处理模块(诸如图1b所示的特征分析模块154的实例)(操作282)。数字信号处理模块针对一组校准点286对特征进行分类(操作284)。校准点可被配置来对应于特定ping频率。例如，针对任何整数值“n”个校准点，校准点288可包括可对应于3ghz附近的第一ping和第一返回特征的第一校准点2881，可对应于2ghz附近的第二ping和第二返回特征的第二校准点2882等等。
[0165]
在操作290处，将分类信号发送到车辆中央处理单元(诸如图1b的车辆中央处理单元116)。车辆中央处理单元可将分类的信号中继到上游存储库，所述存储库托管被配置来托管和/或运行机器学习算法的计算机化数据库。因此，可捕获大量的刺激相关信号、分类的信号和信号响应以用于后续数据聚合和处理。数据库可在计算上准备好，这称为受“训练”，向其提供一组给定感测测量结果，这些测量结果可同与车辆性能相关的状况或诊断(诸如由于重复使用造成的轮胎劣化)关联。如果在车辆操作期间，翼面部件特定部分的测量偏转量(诸如空气压力)不同于翼面部件不同部分的测量偏转量(诸如空气压力)，则潜在诊断可为：一个轮胎充气不足，并且因此致使车辆底盘高度不均匀，从而导致车辆上面、之上和/或周围的气流展示成比例的不均匀性，如通过翼面部件的偏转检测到的。机器学习系统还可确定其他潜在状况或诊断。状况和/或诊断和/或支持数据可返回到车辆以完成反馈循环。车辆中的仪表提供可作用于其上(诸如由驾驶员或工程师)的可视化。
[0166]
图3a描绘(现有技术)电池供电轮胎状况传感器3a00。如图所示，现有技术可依赖于电池供电的电子器件(诸如压力传感器302、电池304和天线306)，其中的任一者或多者位于充气轮胎内部以向充气轮胎外部的接收器发送信号。这会遇到各种挑战，包括：(1)电池供电的电子器件可能无法在(车辆外部的)恶劣环境中生存；以及(2)在充气轮胎的使用寿命期间无法触及电池供电的电子器件。
[0167]
优越的技术可涉及将无源(总体上指代非电池供电)传感器或感测材料嵌入轮胎材料本身中(诸如单独轮胎层片或轮胎胎体等之上、中间或之内)。如下进一步详细示出和描述轮胎感测(包括轮胎内部感测以及轮胎外部环境感测)的机制。
[0168]
图3b描绘作为一个或多个离散(但互连或接触)的含碳调谐共振材料层(或至少部分地在其内)嵌入轮胎中的轮胎状况传感器3b00的操作。轮胎状况传感器3b00可在任何环境中实现。不是将电池供电的电子器件安装在轮胎内部，而是轮胎的一个或多个各种轮胎胎面层和/或轮胎主体层片可由含碳调谐共振材料构成(和/或以其他方式包括由含碳调谐共振材料制成的传感器)，其中的每一胎面层和/或层片被准备为在与其他胎面层和/或层片不同的可查明频率下共振。
[0169]
图3c示出与将调谐共振感测材料并入汽车部件(诸如轮胎)中有关的各种物理特性或方面(轮胎状况参数3c00)。这里，此图是关于可生存传感器在轮胎(包括非充气轮胎以及充气轮胎)中的解决性部署呈现的。轮胎的构造可对应于子午线轮胎、斜交层片轮胎、无内胎轮胎、实心轮胎、防爆轮胎等。轮胎可用于任何种类的车辆和/或与车辆有关的设备和/或配件。此类车辆可能包括飞机、全地形车、汽车、建筑设备、自卸卡车、推土机、农场设备、叉车、高尔夫球车、收割机、起重卡车、轻便摩托车、摩托车、越野车、赛车、乘骑式草坪割草
机、拖拉机、拖车、卡车、轮椅等。除了或替代所呈现的车辆，轮胎可用于非机动车辆、设备和配件，诸如自行车、三轮车、独轮车、割草机、轮椅、手推车等。
[0170]
图3c所示的参数仅作为示例，并且其他变体可存在或以其他方式被准备好针对许多可设想的最终使用场景的特定期望性能特性，包括被设计为提供更长寿命(以道路附着力为潜在代价)的卡车轮胎或被设计为提供最大道路附着力(以使用期限为潜在代价)的软赛车轮胎。
[0171]
各种碳结构可以不同配方与整合到轮胎中的其他非碳材料一起使用，然后进行机械分析以确定它们相应的轮胎特性。这些特性中的一些可通过直接测试凭经验确定，而其他特性则基于测量结果和数据外推确定。例如，滚动均匀性可通过在轮胎在均匀表面(诸如滚轮)之上滚动时感测力的变化来确定，而胎面寿命则基于短时段内的磨损测试，所述短期测试的结果被外推以产生预测胎面寿命值。
[0172]
可测量更多的轮胎特性，但这些测量技术中的一些可能对轮胎造成物理破坏，因此要在轮胎寿命的期望时间点进行测量。相比之下，使用嵌入轮胎中的可存活传感器允许在轮胎的整个使用寿命期间进行此类原本具有破坏性的测量。例如，基于针对嵌入轮胎中的传感器进行ping的rf信号的响应信号的检测可用于这种感测。此外，如所论述的，轮胎的每个主体层片和/或胎面层可包括被调谐为在特定频率下共振的耐用(也称为“可生存”)传感器。
[0173]
轮胎中所用的层片可被配制为将含碳结构与其他材料组合，以实现表现期望性能(诸如操纵和寿命)特性的特定材料组合物。可对特定材料组合物的一个(或多个)自然共振频率进行光谱分析以开发出特定材料组合物的光谱廓线。此光谱廓线可用作所述材料的校准基线。当轮胎的主体层片和/或胎面层经历变形时，光谱廓线改变，所述光谱廓线改变可用作另外的校准点。许多此类校准点可通过测试产生，并且此类校准点进而可用于估量变形。
[0174]
对光谱响应的分析产生许多轮胎参数的定量测量结果。可从特征分析确定的轮胎参数可例如包括胎面寿命322、第一温度下的操纵328、第二温度下的操纵326、第一温度下的滚动经济330、第二温度下的滚动经济332、滚动均匀性336和制动均匀性338。
[0175]
响应(诸如基于从嵌入轮胎层片中的材料中的传感器接收的返回ping信号以光谱方式表示的响应)可表示所观察到的变形。也就是说，一定类型的轮胎变形将与一定类型的特定响应对应，使得可对劣化类型进行响应或响应类型之间的映射。此外，在轮胎经历原位变形时其光谱响应的时变变化可用于确定许多环境条件，其中的一些环境条件关于图3e进行论述。在使用多个层片构造的轮胎中，每个主体层片和/或胎面层可被配制为表现特定调谐频率或频率范围。例如，图3d示出用于由多个层片构造轮胎的示意图，其中的每个层片具有不同的特定调谐频率或频率范围。
[0176]
图3d描绘通过选择用于并入轮胎组件或结构中的含碳调谐共振材料来微调或调谐轮胎的多个主体层片和/或胎面层的示意图3d00，所述轮胎组件或结构可在任何环境中实现。图3d示出如何将不同碳混合到轮胎复合材料制剂中，所述制剂进而组装到多层片轮胎中。所得多层片轮胎表现出各种共振敏感和频移特性。
[0177]
多个反应器(诸如反应器3521、反应器3522、反应器3523和反应器3524)各自产生(或以其他方式运输或提供)特定碳添加剂/填料到被调谐为产生特定限定光谱廓线的网
络。碳添加剂(诸如第一调谐碳354、第二调谐碳356、第三调谐碳358和第四调谐碳360)可与其他(碳基或非碳基)组合物350混合。可使用任何已知技术来混合、加热、预处理、后处理或以其他方式组合特定碳添加剂与其他组合物。混合器(诸如混合器3621、混合器3622、混合器3623和混合器3624)被呈现以示出如何可将不同的调谐碳引入轮胎的各种部件中。轮胎组件的其他技术可涉及其他构造技术和/或构成轮胎的其他部件。可使用用于多层片轮胎的任何已知技术。此外，特定主体层片和/或胎面层(诸如一组主体层片和/或胎面层368，包括主体层片和/或胎面层3681、主体层片和/或胎面层3682、主体层片和/或胎面层3683和主体层片和/或胎面层3684)的光谱廓线可基于特定主体层片和/或胎面层制剂的表征来确定。例如，基于刺激和响应表征，第一主体层片和/或胎面层制剂(诸如主体层片和/或胎面层制剂3641)可表现出第一光谱廓线，而第二主体层片和/或胎面层制剂(诸如主体层片和/或胎面层制剂3642)可表现出第二光谱廓线。
[0178]
所得的不同制剂(例如，主体层片和/或胎面层制剂3641，主体层片和/或胎面层制剂3642，主体层片和/或胎面层制剂3643和主体层片和/或胎面层制剂3644)(其中的每个主体层片和/或胎面层表现出对应光谱廓线)在形成到轮胎组件366中的不同主体层片和/或胎面层中使用。
[0179]
图3e描绘从由含碳调谐共振材料层形成的轮胎(暴露于任何环境)发射的第一组示例性状况特征3e00。示出可基于操作来估量的若干动态机械分析轮胎参数。一个或多个给定轮胎可安装在车辆的一个或多个车轮上，然后在任何环境中由车辆驱动。当轮胎经历rf信号刺激同时也因使用而变形(诸如轮胎的一个或多个主体层片和/或胎面层的变形)时，在轮胎内形成传感器层的含碳调谐共振材料可响应于刺激而发射特征，所述特征可表示轮胎的同时发生的变形。
[0180]
此图仅描绘轮胎在各种状况下操作时其一个或多个主体层片和/或胎面层的变形的一些示例。轮胎在各种状况下的操作导致由轮胎的各种主体层片和/或胎面层在存在此类状况时响应于刺激而发射不同组信号(诸如状况特定的信号345)。如图所示，轮胎可在温暖环境条件下操作，在所述操作期间，由轮胎的各种主体层片和/或胎面层响应于刺激而发射的信号被视为温暖环境信号340。同样如图所示，轮胎可在寒冷环境条件下操作，在所述操作期间，由轮胎的各种主体层片和/或胎面层响应于刺激而发射的信号被视为寒冷环境信号342。此外，轮胎可在低轮胎充气条件下操作，在所述操作期间，由轮胎的各种主体层片和/或胎面层响应于刺激而发射的信号被视为低胎压信号344。
[0181]
信号处理(诸如，诸如可由前述图1b的特征分析模块154的实例执行)针对对应于各种环境条件的一组校准点对状况特定的信号345进行分类。校准点可对应于特定ping频率，和/或校准点可对应于一组特定ping频率。ping的时间特性可不同，以便检测不同的原位状况。例如，当车辆在博斯点(指代圆形非反射凸起硬路面标记，其通常由塑料、陶瓷、热塑性漆、玻璃制成或偶尔使用金属制成)之上操作时，车辆的一个或多个轮胎可经历周期性变形，所述周期取决于车辆的速度以及第一博斯点346与下一博斯点之间的距离。如图所示，变形可基于各种条件(诸如温暖环境条件、寒冷环境条件、低胎压条件等)而不同。此外，不同的变形可能由特定道路条件(诸如道路接缝347或小道路缺陷348)引起。任何上述状况特定的信号和/或任何道路条件可基于根据响应于ping或其他刺激返回的信号来检测。前面对图3e的论述包括对第一组示例性状况特征的处理。如下更详细地论述另外多组状况特
征。
[0182]
图3f1示出从由含碳调谐共振材料层形成的轮胎发射的第二组示例性状况特征3f100。示例性状况特征3f100或其任何方面可在任何环境中发射。图3f1示出新轮胎的多个主体层片和/或胎面层(诸如主体层片和/或胎面层#1、主体层片和/或胎面层#2和主体层片和/或胎面层#3)。术语“层片”，如在本示例中和其他地方参考所呈现实现方式中的任一个或多个所使用的，可指代轮胎主体内的层片或层，或(替代地)背离轮胎主体径向向外突出、意图与坚硬路面或对于越野轮胎来说与土壤接触的轮胎胎面的层)。例如，第一主体层片和/或胎面层是用调谐碳配制(指代用特定制剂形成)的，使得第一主体层片和/或胎面层在用1.0ghz ping刺激(诸如第一ping 374)来刺激时在1.0ghz下共振。类似地，第二主体层片和/或胎面层是用调谐碳配制的，使得第二主体层片和/或胎面层在用2.0ghz ping刺激(诸如第二ping 376)来刺激时在2.0ghz下共振。此外，第三主体层片和/或胎面层是用调谐碳配制的，使得第三主体层片和/或胎面层在用3.0ghz ping刺激(诸如第三ping 378)来刺激时在3.0ghz下共振。如第一响应382、第二响应384和第三响应386所示，所有三个主体层片和/或胎面层都在它们的相应调谐频率下作出响应。
[0183]
收发器天线可定位在对应轮胎的轮舱之中和/或之上。例如，处置任何此类所产生响应信号的系统可被配置来与由其他表面(诸如例如车辆的其余非目标轮胎)产生的其他潜在响应区分开来。例如，即使安装在车辆右前轮上的右前轮胎可对从位于车辆左前轮舱中的收发器天线发射的ping作出响应，与来自车辆左前轮胎的响应信号相比，来自右前轮胎的响应信号将显著衰减(并因此被识别)。
[0184]
当收发器天线位于对应轮胎的轮舱中时，来自对应轮胎的响应相对于ping刺激将衰减。例如，来自对应轮胎的响应可相对于ping刺激衰减9分贝(
–
9db)或更多，或者可相对于ping刺激衰减18分贝(
–
18db)或更多，或者可相对于ping刺激衰减36分贝(
–
36db)或更多，或者可相对于ping刺激衰减72分贝(
–
72db)或更多。在一些情况下，ping信号发生器被设计为与位于轮舱中的收发器天线组合，以便致使对应轮胎的ping响应衰减不超过75db(
–
75db)。
[0185]
图3f2描绘在一些含碳调谐共振材料磨损之后从轮胎发射的第三组示例性状况特征3f200。作为一个选项，示例性状况特征3f200或其任何方面的一个或多个变化可在本文所述的实现方式的架构和功能性的上下文中实现。示例性状况特征3f200或其任何方面可在任何环境中发射。
[0186]
在此示例中，轮胎已经磨损。更具体地，最外侧主体层片和/或胎面层已经完全磨损。因此，1.0ghz的ping刺激不会导致来自最外侧层片的响应。这在图表中示出为第一响应衰减387。随着轮胎继续经历胎面磨损，来自下一主体层片和/或胎面层的ping响应和来自下一连续主体层片和/或胎面层的ping响应等等将衰减，所述衰减可用于测量轮胎的总胎面磨损。作为替代方案，可在所有层片中使用相同的调谐碳。轮胎的胎面磨损以及其他指示可基于来自轮胎的返回信号特征来确定。
[0187]
图3f3描绘根据一些实现方式的测量共振特征信号强度(以分贝(db)为单位)相对于轮胎胎面层损失高度(以毫米(mm)为单位)的曲线图。如这里所示，可以给定浓度水平或多个不同的浓度水平(在一个或多个轮胎胎面层中的每一个中)将含碳微结构和/或微结构材料并入传感器中，或在一些配置中，并入一个或多个轮胎胎面的整个层中，以实现所示的
独特劣化廓线。也就是说，测量共振特征(指代所讨论特定轮胎胎面层的识别“特征”)可如本文所述通过一个或多个rf信号进行“ping”，以展示如图所示的所述发射信号的衰减。
[0188]
新轮胎胎面层可被配置来指示大约0的信号强度(以分贝(db)为单位测量)。所述强度可与所述轮胎胎面层的劣化程度成比例地改变。例如，轮胎胎面层(假设是与硬路面接触的轮胎胎面层)的2mm高度损失可与所示的测量共振特征信号强度廓线相对应。6.7ghz的“ping”信号可测量为约9db左右的强度水平，依此类推。
[0189]
因此，可将独特的浓度水平、化学成分、分散、分布等的含碳微结构嵌入轮胎胎面层(或在一些情况下，放置在其一个或多个表面上)以实现如图所示的独特且易于识别的测量共振特征信号强度。因此，这种系统的用户可在驾驶期间在发生轮胎胎面磨损时立即获知轮胎胎面磨损的确切程度和位置，而不是局限于在车辆处于静止状态时观察轮胎，这可能是既费时又麻烦的过程。
[0190]
图3g1和3g2描绘示例性常规碳材料生产链(诸如anzelmo等人在2019年10月1日发布的名称为“carbon and elastomer integration”的美国专利号10,428,197中描述的那些，所述专利以引用方式整体并入本文)的示意图。相较于图3g2，图3g1示出示例性常规碳材料生产链3g100的示意图，图3g2是用于生产本文所述的碳基微结构的碳材料生产链的示例。在常规碳材料生产链3g100中，如图3g1所示，可运输诸如炭黑3g102、二氧化硅3g104和其他化学品3g106的原材料以进入制造设施3g110，在制造设施3g110处，它们被配制成弹性体混配物，然后处理成成品，诸如(基于橡胶的且充气的)轮胎3g120。
[0191]
常规轮胎供应可包括准备原材料(诸如橡胶包、碳填料、纺织品、钢和其他添加剂)、构建轮胎部件(包括挤出用于胎面和侧壁的弹性体混配物)，然后构建轮胎3g120(包括固化轮胎，和检查成品轮胎)。碳微结构生产、弹性体混配物的混合以及任选地构建成品产品(诸如汽车轮胎)，以及(任选地)材料的纳米混合，都可在现场完成。
[0192]
与如图3g1中的常规碳材料生产链3g100所呈现的常规含碳轮胎生产相比，在制造设施3g208处在反应器3g206中现场混合烃类3g202和二氧化硅3g204(诸如通过将其整合在一起)，然后将其与弹性体原材料(诸如橡胶)整合以产生弹性体混配物，之后处理成成品产品，诸如轮胎3g208。图3g1与图3g2之间的差别示出潜在益处，包括通过在碳生产过程期间将材料整合在一起消除对运输难以处理的炭黑材料的需要并且降低能量消耗。
[0193]
替代地，图3g1所示的常规供应链可与本发明石墨烯基碳材料结合使用。碳材料可在一个地点生产，然后碳材料和其他组成材料可运输到制造设施，在制造设施处，它们被配制成弹性体混配物，然后处理成成品产品，诸如轮胎。
[0194]
使用本发明石墨烯基碳材料的另一益处在于与炭黑相比提高了纯度。炭黑中的杂质(诸如残留油)要求将碳标记为致癌的。所提供的含石墨烯的碳基微结构与炭黑相比具有更低挥发性有机化合物(voc)，因此不会在所生产弹性体材料的表面产生残留油。替代地，与炭黑相比，碳基微结构具有更低浓度的残留烃(诸如多环芳烃)，从而在所生产弹性体材料的表面上产生更少残留油。与常规处理的炭黑或石墨烯相比，本文所述的碳材料(其包括碳基微结构)还包含低浓度的污染物(诸如灰分、金属和其他元素污染物)。此外，可存在极少co2、no
x
和so
x
排放物作为生产副产物。所有这些益处导致本发明碳材料与用于弹性体的常规炭黑相比处理起来更安全且更环保。
[0195]
本发明碳基微结构与炭黑相比的降低的杂质浓度对于处理碳材料(诸如碳后处理
和弹性体混配)也是益处。例如，常规炭黑处理设备可能需要专门系统来处理有毒的炭黑粒子。相比之下，不需要专门系统来处理本发明无毒或低毒材料。
[0196]
存在可影响特定碳材料增强弹性体的能力的三个特性：(1)表面积；(2)结构；以及(3)表面活性。此外，诸如焦炭、灰分和水分的杂质对于弹性体中的碳材料填料的有效性可以是重要的。表面积指代碳材料表面的总面积，包括可供用于与弹性体相互作用的面积。粒子大小和形状可影响表面积。较小碳基微结构(诸如平均直径小于100nm)通常融合在一起以形成较大聚集体(诸如平均直径为1
‑
10μm)。结构描述聚集体的形状。结构可受融合在一起的粒子的数量和聚集体内粒子的构型影响。例如，具有较大数量粒子的聚集体可具有复杂形状，其中形成大空隙体积。结构可影响碳和聚合物的混合程度(诸如空隙可以聚合物填充)，这可影响弹性体/碳混配物的特性。
[0197]
此外，指代碳填充材料和聚合物之间的表面相互作用强度的表面活性可影响碳材料在弹性体中的分散特性。混配物机械特性诸如拉伸强度、撕裂强度和耐磨性可受碳填充材料的表面积影响。其他混配物机械特性诸如粘度、收缩率和模量可受碳填充材料的结构影响。表面积也可影响一些混配物机械特性，诸如迟滞。结构还可影响增强的弹性体混配物的耐挠曲疲劳性和耐磨性。表面活性也可影响混配物机械特性，诸如模量、迟滞和耐磨性。
[0198]
图4和图5a是与车辆中的废弃能量采集和供电相关的特性的呈现，其中的任一个或多个特性可影响所公开系统中的含碳材料性能，诸如通过给嵌入轮胎层片中的共振器供电。例如，与车辆中的废弃能量采集和供电相关的能力400可包括应用空间402，所述应用空间402包括至少以下项：车辆中所使用的用于从车辆运动采集能量的复合材料；用于从车辆运动采集能量的车辆轮胎；定位在诸如蒸气管或排气管的热源中和周围的能量捕获装置；以及从设备运动采集能量的工业用途。
[0199]
图5a提供与整合到轮胎中以便在车辆轮舱内发生能量转移的热电发生功能性502a相关的能力500a。这种能量转移可包括：电荷载体在(轮胎的)热区与冷区之间流动以形成电压差，因此允许热电发生器(teg)在黑暗中仍然工作，teg也不具有移动部件，这允许连续操作；teg可作为层放置在轮胎胎面中，针对传导率调谐的碳和掺杂n/p可从废热中产生>10mw/cm2的显著功率，其中即使小的温度变化(诸如δ10℃)也可产生大约3.5w+来提供可用采集功率。
[0200]
图5b示出表示电荷载体(在并入车辆部件的材料内的半导电材料内)在热区与冷区之间流动以形成电压差以允许热电发生器(teg)在低光或无光条件下操作的示意图。半导体5b00可并入车辆轮胎的主体的层片内，以捕获从高温区域(包括位置5b02和5b04)通过n型和/或p型半导体材料5b06转移的热量，从而通过电路5b10提供电流来给例如任何所公开共振器供电。
[0201]
图5c示出并入轮胎的主体内的层片或胎面中的针对电导率进行调谐和/或经掺杂以从废热产生功率的碳基材料。针对电压5c02分段的分层正负(pn)结半导体材料可并入轮胎主体的壁内或从其延伸的胎面内，从而提供电流来给如此描述的共振器供电，所述共振器可包括诸如振荡器、共振电路和整流器的部件，所有这些都以基本上常规格式操作。
[0202]
图5d示出用于将输出功率同与整合到轮胎中的热电发生功能性相关的热通量的量值(δ℃)进行比较的图表5d00。假设包括：teg装置包括碲化铋(bi2te3)，其具有诸如在54℃下为大约
‑
287μv/k的塞贝克系数(指代响应于跨所述材料的温差而感应的热电电压的量
值的量度)，和/或展示关系zt＝s 2t/ρκ～1。碳基微结构可调谐并且并入teg装置中，以潜在地同样达到塞贝克性能(指代含碲化铋的teg装置)性能和挠曲能力。总体上，此类teg装置产生的输出功率(以瓦特w/轮胎为单位)可随着温度梯度的增大而增大。
[0203]
图6a是与用于热电转换600a(诸如当并入复合材料中时)的三维(3d)石墨烯相关的特性的呈现。除先前所呈现的内容之外，碳基微结构可通过作为层放置在复合部件堆叠中来并入teg装置中，针对传导率适当调谐的碳和掺杂负和/或正(分别为n、p)半导体材料可从废热产生>10mw/cm2的显著功率，使得大约200℉的温度梯度可产生大约35w或更多的功率。并入所公开碳基微结构的此类teg装置可包括在例如常规内燃发动机的车辆发动机罩中，以高效地捕获在发动机操作期间发射的辐射热能以进行存储和/或稍后通过向共振器提供可用电流来再使用。
[0204]
图6b示出并入发动机部件中以用于电功率采集的分层正负(pn)结型半导体材料。分层pn半导体可分段以进行精确电压控制，并且可并入发动机罩、隔热罩或排气部件内。而且，泡沫材料可用于吸收振动和/或热能以进行功率采集。总的来说，这些装置在与上述系统和装置中的任一者或多者组合时可用于补充能量采集和再使用能力，以根据需要给共振器供电，从而高效地精确指出车辆部件磨损。
[0205]
图7a是由压电能量发生器等供电的轮胎诊断相关能力700a的呈现。压电是响应于施加的机械应力而在某些固体材料(诸如晶体)中积累的电荷。压电效应是由没有反转对称性的晶体材料中的机械状态与电状态之间的线性机电相互作用产生的。压电效应是可逆过程：表现出压电效应(由施加的机械力在内部产生电荷)的材料也可表现出逆压电效应(由施加的电场在内部产生机械应变)。
[0206]
与目前所公开系统和材料一起使用的碳基微结构中的任一种或多种，包括碳纳米洋葱(cno)，可用于在位于车辆部件(诸如轮胎)的表面上或嵌入车辆部件中的传感器中形成压电分层。此外，石墨烯可用于形成能量采集贴片，所述贴片可整合到轮胎中。cno和/或石墨烯可用于(诸如以电流的形式)收集、保持和供应功率(诸如以电流的形式)给共振器以用于以严格的准确度识别车辆部件劣化(诸如轮胎磨损)的位置。
[0207]
调谐碳材料，诸如图7b中的曲线图7b00中所示的微碳纳米管(m
‑
cnt)，由于它们的大的固有电容而可更准确地辅助感测轮胎胎面磨损(诸如通过给共振器供电)。与金属相比，cno可提供一种形式的增强碳来实现压电能量发生。
[0208]
为了与先前所呈现的系统、方法和材料中的任一者或多者结合使用，可使用cno来形成压电发生器，所述压电发生器给例如定位在轮胎侧面(诸如内衬层内)以监测和检测轮胎损坏的无线应变传感器供电。潜在轮胎变形或应变可根据来自道路表面的摩擦的程度来确定或计算，其中这种信息然后用于优化相关汽车轮胎控制系统。轮胎相关信息例如可(在如先前所论述基于信号频移和/或衰减行为计算之后)无线地传输到可定位在轮胎内的和/或可与共振器一起工作以提供完整的轮胎信息解决方案的适当配备的接收器。所公开实现方式可与常规遥测方法和装置一起工作以将车辆部件磨损相关信息传达到例如车辆导航系统。
[0209]
图7b示出并入车辆轮胎的橡胶内的常规材料的曲线图7b00，其针对橡胶厚度(mm)比较归一化电容(c/c0)。如图所示，与银、金或m
‑
cnt(其可并入压电、热电或其他先进能量采集和再供应功能性中)并入其中的材料的橡胶厚度相比，关于归一化电容，m
‑
cnt始终优
于诸如银和金的传统材料。目前所公开碳基纳米材料的性能指标(performance figure)匹配或超过针对m
‑
cnt所示的性能指标。
[0210]
图7c1示出示意图7c00，其示出用于通过基于阻抗的光谱法进行轮胎磨损感测的完整轮胎诊断系统和设备。轮胎7c20，诸如以空气或氮气(n2)填充的充气橡胶轮胎，可包括传统轮胎部件，这些部件包括主体7c20、内衬层7c12、胎圈填充区域7c22、胎圈7c16、一个或多个带束层片7c04、7c06、7c08和7c10、胎面7c02以及基于阻抗的光谱法磨损感测印刷电子器件7c18(替代地，用于通过嵌入在带束层片7c04
–
7c10中的任一者或多者内的共振器进行信号频移和衰减监测的包括碳基微结构的传感器)。
[0211]
如这里所示，无线应变传感器可放置在内衬层的表面上或侧面上(或嵌入在其内)以监测轮胎状况以实现汽车安全(诸如以检测受损轮胎)。轮胎变形或应变监测可(间接地)提供表示轮胎与接触道路表面之间的摩擦程度的信息，所述信息然后可用于优化汽车轮胎控制系统。轮胎信息可基于共振传感器平台无线地传输到定位在轮胎轮毂中的接收器。
[0212]
图7c2示出用于提供轮胎磨损相关信息的系统7c200，所述信息通过遥测传输到导航系统和用于制造印刷碳基材料的设备中。系统7c200可与目前所公开系统、方法和材料中的任一者或多者(诸如包括碳基微结构的传感器)一起工作，使得省略对它们的冗余描述。阻抗谱，也称为电化学阻抗谱法(eis)，指代阻抗滴定转换方法，其涉及在测量样品时在宽频率范围内施加正弦电化学扰动(电位或电流)，所述样品诸如并入轮胎7c202的一个或多个轮胎带束层片内的包括碳基微结构的传感器。印刷碳基共振器7c204可并入一个或多个轮胎部件诸如轮胎带束层片内，其中印刷碳基共振器7c204中的每一个具有所示的总体卵形配置，或被定制为实现适用于通过监测频移和/或衰减(诸如指示具有大约1.0ghz的自然共振频率的轮胎主体层片和/或胎面层的磨损的第一响应衰减)进行高效且准确的车辆部件磨损检测的特定期望共振特性的一些其他形状或配置。
[0213]
能够形成印刷碳基共振器7c204的辊组件7c210包括碳基微结构和/或微结构材料(诸如石墨烯)的存储库7c212(诸如桶)、网纹辊7c214(指代通常由涂覆有工业陶瓷的钢或铝芯构成的硬质滚筒，所述工业陶瓷的表面包含数百万个非常细小的凹坑，称为单元(cell))、印版滚筒7c216和压印滚筒7c218。在操作中，可由辊组件7c210的辊将从存储库7c212提取的石墨烯滚压、压制、拉伸或以其他方式制造成卵形(或任何其他形状)印刷碳共振器7c204。印刷碳共振器7c204未配准(指代对准)以获得系统7c200的适当功能。
[0214]
因此，上述特征的任意组合可用于制造轮胎，所述轮胎具有共振器(指代实际或“等效”储槽、lc和/或共振电路，其中含碳微结构本身可响应于来自收发器和/或来自由先进能源供应的能量的发射rf信号而共振，使得设置到轮胎的任一个或多个部件(诸如胎面、一个或多个层片、内衬层等)之中或之上的其他传感器可展示频移或信号衰减特性或行为。所描述共振器不一定需要体现为实际电路和/或集成电路(ic)。所描述共振器可简单地实现为调谐含碳微结构，从而避免在可分解材料(诸如轮胎胎面层)中实现传统分立电路时可能出现的常见劣化问题。此类共振器可响应于外部供应的
‘
ping’(诸如由位于车辆轮舱中的收发器供应的ping)而共振，或者共振器可对由共定位(指代位于同一轮胎胎面层内，但潜在地位于所述轮胎胎面层内的不同位置处)、自供电、自ping能力充电作出响应，所述能力由任何变型或任何数量的功率或电荷发生器(诸如热电发生器、压电能量发生器、摩电能量发生器)促进。
[0215]
在轮胎滚动或以其他方式经历变形的任何时间，所描述共振器(和其他共振器和/或共振电路)中的任一者可被配置来发射和/或进一步发射振荡rf信号(或其他形式的电磁辐射，这取决于总体配置)。在车辆轮胎由于使用(诸如公路或越野驾驶)而经历磨损时，与硬路面或地面(土壤)接触的轮胎胎面层可瞬时地或随着时间推移经历变形(诸如从被“压扁”(指代在旋转或滚动期间暴露的车辆轮胎胎面层的部分的至少部分扁平化)、和/或从转弯期间经历的侧向运动等观察到的变形)，因此所得信号频移和/或衰减行为可依据这种“压扁”而变化，因为相关联信号在一个或多个已知幅度范围内振荡。此外或者在替代方案中，在轮胎经历变形时，所观察到的信号可在对应于特定共振器的已知频率范围内振荡，从而允许在发生劣化时精确且准确地识别正在发生的劣化的类型，而不需要驾驶员、乘客和/或其他车辆乘员在车辆静止时存在于车辆中以观察轮胎胎面状况。这种频移振荡可观察为在已知频率范围内的两个或更多个频率之间来回的频移。
[0216]
图7c3是可跟与目前所公开系统、方法和传感器中的任一者结合的轮胎状况的感测相关的信息7c300的呈现。内衬层侧面上的支持无线的应变(指代表示由外部约束或负载引起的材料主体中粒子之间的相对位移的变形的几何量度)传感器可监测轮胎状况以实现汽车安全(诸如通过检测受损轮胎)。另外，轮胎变形或应变监测可间接地提供与轮胎和道路表面之间的摩擦程度相关的信息，所述信息然后可用于优化汽车轮胎控制系统。此类轮胎信息可基于共振传感器(诸如阻抗谱is传感器)平台无线地传输到定位在轮毂中的接收器(和/或收发器)。
[0217]
图7c4至图7c5示出包括示意图7c400和示意图7c500的示意图，两者都与用于通过层片印刷编码确定车辆轮胎磨损的基于共振序列号的数字编码系统7c404相关。基于共振序列号的数字编码系统7c404可与任何目前所公开系统、方法和传感器结合和/或一起工作。基于共振序列号的数字编码系统7c404通过层片印刷编码提供轮胎的数字编码并因此提供对轮胎(和相关性能指标)和使用概况的终身(指代整个使用期限)跟踪，而无需易受轮胎的日常磨耗影响的传统电子装置。
[0218]
连同通过阻抗谱(is)和/或电化学阻抗谱(eis)进行的轮胎磨损感测，另外的共振器可以数字方式编码到印刷图案上，以提供用于基于遥测的轮胎性能跟踪的可识别序列号。因此，如此配备的车辆可跟踪胎面磨损、总行驶里程、年龄等，而无需传统射频识别系统(rfid)或任何种类的其他电子器件。通过递增地打印到主体层片和/或胎面层上，并入所论述印刷碳基共振器的轮胎可固有地序列化。
[0219]
图7c5示出轮胎中共振序列号编码的示意图7c510。序列号“6e”被示出为编码在专门准备的印刷碳共振器阵列中，所述共振器被配置来根据
‘
ping’刺激
‑
响应图7c512进行共振，从而允许方便且可靠地识别如此配备的车辆轮胎的特定主体层片和/或胎面层。
[0220]
图7d示出描绘轮胎带束层片7d02的各种层的示意图7d00，所述轮胎带束层片7d02被配置来通过诸如先前概述的压电能力产生电功率或电流，并且可并入到本文关于各种所呈现系统、方法和材料所论述的示例性轮胎中的任一者或多者中。总体上，此类带束层片可以是常规橡胶充气车辆(诸如汽车、运动型多功能车、轻型卡车或卡车)轮胎的一部分，其可包括胎圈、主体、加强带束、盖层片(其是任选的)、侧壁和胎面(也是任选的，并且在某些竞赛轮胎诸如干胎上不存在)中的任一者或多者。
[0221]
图8a是与通过应用热电发生器(teg)进行能量采集相关的信息800a的呈现，此类
细节与所呈现的系统、方法和/或材料中的任一者或多者的功能性有关。热电发生可基于塞贝克、珀尔帖和汤姆逊效应的原理，其中热区与冷区之间的电荷载体的流动形成电压差。
[0222]
(适用于并入目前所公开teg内的)最优热电材料应具有高塞贝克系数(v＝αδt)、高电导率和低热导率以维持结处的高热梯度。输出电压的极性可取决于teg两端的温差的极性。
[0223]
teg可由反向掺杂的热电结构柱(称为“支脚”)对的固态菊花链接电路构成。n型和p型半导体支脚可电串联放置并且夹置在两个薄的导热陶瓷板之间。常用半导体材料是碲化铋(bi2te3)。
[0224]
针对给定大小具有最高v
max
(最大电压)*imax(最大电流)乘积的热电模块将提供理想功率。常见模块可以是方形的，每边的大小在约10mm至50mm范围内，并且厚度可在2mm至5mm范围内。可与其他替代能量发生装置区分开的显著性能特征在于：teg可在黑暗中操作，这大大地扩展了潜在应用的范围。teg也是没有移动部件的固态装置，从而允许连续操作并且不包含需要补充的材料。而且，在某些配置中，teg可允许颠倒加热能力和冷却能力。
[0225]
图8b是与例如teg和能够向共振器供应电流或功率的其他先进替代功率发生器的能量采集能力800b相关的信息的呈现。例如，应变计传感器可并入弹性体材料内来感测重量以确定例如拖拉机和拖车的整备重量。此类传感器可被设计为在轮胎展示重量或负载不平衡(诸如由于货物移位)以及增加的力的情况下触发警报。
[0226]
teg可与并入以氮气填充的竞赛轮胎中的共振器一起工作，以观察指示泄漏或潜在的即将到来的轮胎破裂(爆胎)情况的其他气体量(诸如氧和/或氩)的增加。轮胎构造可并入teg、压电能量发生器、摩电能量发生器和其他先进能量采集装置的任何组合，以捕获、保持和再利用车辆操作期间的能量，以提供共振器振荡以与任何所呈现系统一起工作所需的电流。此外，车辆部件磨损和劣化信息可由适当配备的系统(安装在车辆本身中或远程位置处的其他地方)以电子方式转发，以通知相关方和潜在地通知执法机构以及提供高质量的持续的整体且可靠的车辆操作信息。此信息可用于及考虑用于预测销售(基于车辆驾驶行为)、促销赞助、保险、路上时间等。
[0227]
图9示出车辆底盘、发动机和传动系的示意性剖视图900以显示与常规车辆相关联的动力系损失(诸如不可用于向前推进动力的损失)。任何所公开系统、方法和材料可应用来通过以下方式抵消此类动力系损失：有效地捕获原本会损失的能量来再利用这种能量来给任何所公开共振器供电，以用于通过信号共振监测进行车辆部件材料劣化检测。例如，在由前置内燃发动机(诸如图9中的图示900所示的内燃发动机)提供动力的常规汽车中，输入902向发动机中提供传统可耗尽能源，诸如汽油。发动机空转导致废弃904所述输入能量的17％，而另2％在附件操作906中损失，62％由于发动机摩擦、发动机泵送损失和废热(统称为发动机相关损失908)而损失，5.6％由于摩擦和打滑而以传动系损失910形式损失，从而仅剩下12.6％的残余能量可用912来实际使车辆沿道路移动。
[0228]
图10示出配备有压电和/或热电电流和/或功率发生器的车辆的示意性剖视图。可由常规内燃发动机提供动力的车辆1000(如图所示为迷你紧凑型，但替代地可以是任何形式的乘用车、轿车、双门轿车、卡车、运动型多功能车、跑车等)以混合电功率为特征，或排他地在以电动马达为特征的纯电动基础上操作。在示例性配置中，车辆1000可包括四个轮胎1012、空调(a/c)转换器1014、驱动马达1002、动力转向1006、马力(hp)分配器1010、外部充
电插座1004和电池系统1016。车辆1000可配备有压电能量发生装置(诸如发电机、装置、马达等)以捕获能量并将所捕获能量转换成可用于其他应用或用途的电流，诸如给目前所公开共振器、共振电路等中的任一者供电，以准确且精确地检测关于磨损和劣化的车辆部件状况。
[0229]
如先前所介绍，压电暗指响应于施加的机械应力而在某些固体材料(诸如晶体)中积累的电荷。词语压电意指由压力和潜热产生电力。从机制上讲，压电效应的性质与固体中电偶极矩的出现密切相关。后者可针对具有不对称电荷周围环境的晶格格位上的离子诱导出(诸如batio3中)，或者也可直接由分子基团携带(如在蔗糖中)。偶极密度或极化度(维数[c
·
m/m3])可针对晶体通过对每体积晶体学单元晶胞的偶极矩求和来计算。由于每个偶极都是一个向量，因此偶极密度p是向量场。
[0230]
施加机械应力时极化率p的变化对于压电效应很重要。这可能是由偶极诱导周围环境的重新配置或在外部应力影响下分子偶极矩的重新定向引起的。然后压电可体现为极化强度、其方向或两者的变化，具体细节取决于：
[0231]
·
晶体内p的取向；
[0232]
·
晶体对称性；以及
[0233]
·
所施加机械应力。
[0234]
p的变化表现为晶面上的表面电荷密度的变化，诸如由体中偶极密度变化引起的在晶面之间延伸的电场的变化。例如，1cm3的石英立方体在2kn(500lbf)的所施加力下可产生12,500v的电压。
[0235]
此类原理可被配置来向任何目前所公开共振器提供电压和/或电流以用于如先前所论述的相关联功能，诸如递送(如图11中的信息标题1108所示)以下两者：(1)高功率；以及替代地，(2)低功耗。高功率应用可包括通过旋转轮毂、感应或无线方式捕获从轮胎产生的旋转能量。低功耗应用包括与远程和/或车载能量采集系统(诸如所公开teg系统和/或摩电能量发生器)整合(指代与车辆1000整合)。与由电磁(em)信号通信(例如，在465mhz或类似频率下)激活的分布式传感器阵列整合可用于促进后向散射或感应耦合。
[0236]
图11示出先进概念轮胎和各种能量(电流)递送挑战的各种透视示意图。轮胎1100和/或1102可以是由俄亥俄州阿克伦的goodyear tire&rubber公司制造的bh03压电概念轮胎，或任何类似的此类先进自生动力轮胎，其中任何所公开系统、方法和材料(包括含碳微结构)可被配置来与此类先进轮胎一起工作，以关于向共振器提供持续的电功率以进行准确车辆部件材料劣化检测实现自供电。轮胎1100和/或1102可以胎面和/或胎纹沟1104、1106为特征并提供包括炭黑的构造(称为“超黑”纹理)以用于由热电(te)功率发生器或能力捕获的有效热量吸收。
[0237]
图12是应用或并入石墨烯(例如碳基微结构或碳基微结构中的形成组分)以用于车辆传感器相关联的各种特性的呈现，车辆传感器被配置来提供频移和/或衰减能力以用于监测车辆部件劣化性能。石墨烯指代碳的同素异形体，其呈二维六边形晶格中的单个原子层形式，其中一个原子形成每个顶点。它是其他同素异形体(包括石墨、木炭、碳纳米管和富勒烯)的基本结构元素。它也可被视为无限大芳族分子，是扁平多环芳烃家族的终极案例。
[0238]
石墨烯具有2,630m2/g的理论比表面积(ssa)。这比迄今为止针对炭黑所报告的
ssa(通常小于900m2/g)或针对碳纳米管(cnt)所包括的ssa(≈100至1000m2/g)大得多，并且就像活性炭一样。石墨烯的固有特性1200包括：高强度(每单位面积)；在大约3,000w/mk至大约5,000w/mk范围内的热导率；通过掺杂某些元素诸如氮(n)、硫(s)、硼(b)、磷(p)、氟(f)和/或氯(cl)来适应n型传导率的能力。
[0239]
公式zt＝σs2t/κ提供关于所测量材料的热电(te)性能的定量关系，并且可如下定义：s是塞贝克系数(如通过塞贝克效应所感应出的，响应于所述材料两端的温差而感应出的热电电压的量值的量度)，“σ”和“κ”分别是电导率和热导率，并且t是绝对温度。热电转换的目标可包括增加电导率同时并发地降低热导率。
[0240]
石墨烯可能需要(诸如实现低维数：点(“0d”)、管/带(“1d”)或片材(2d))的纳米结构化；以及降低热传导的界面(声子散射体)；以及增加电载体(p/n)、增加灵敏度/性能的带隙工程；准备并不非常适合典型高功率热电堆架构内的“菊花链接”(指代将若干装置以线性串联方式连接在一起)的某些石墨烯片材形式；并且可准备好以最适合作为用于外延生长的bisbte(诸如用于其热管理)的支撑基板。
[0241]
石墨烯还可用作提供以下优点中的任一者或多者的多功能元件：允许结合(或用作)热导体(诸如用于热管理/pmc复合系统；石墨烯上石墨烯材料)、强化剂/增强剂、分布式传感器(健康：压力、摩擦、剪力)，以及充当能量采集器。
[0242]
图13a是并入石墨烯填充橡胶并接触地面或硬路面的车辆轮胎13a00的侧视示意图。如图所示，车辆轮胎13a00包括轮胎轮辋(地面)13a02和围绕车辆轮胎13a00周向地缠绕的钢带束(导体)13a04。石墨烯填充橡胶可并入或以其他方式用于形成轮胎主体的轮胎层片中的一个或多个。这种石墨烯填充橡胶可提供导电渗流阈值(指代绝缘材料可转换成导电材料的最低填料浓度，这意味着渗流阈值是在整个样品中形成电通路的最低填充材料(诸如石墨烯填充橡胶)浓度)。轮胎可支撑其重量，如反映为负载1306，和/或当车辆有负载时诸如通过车辆底盘压在轮胎上或乘员压在轮胎上的其他重量。
[0243]
车辆轮胎13a00可在轮胎主体的一个或多个层片中配备有摩电功率发生器，以将所捕获能量以可用电能形式提供到共振器，如先前所公开。如这里所采用，摩电能量转换原理支持将机械能转换成电力，从而将摩电摩擦和电感应耦合到功率传感器，以便以持续方式诊断轮胎的总体健康(指代磨损和劣化)。
[0244]
在正常(每次通勤使用)条件下，由车辆轮胎13a00与地面(诸如道路硬路面)之间所遇到的摩擦产生的能量的大约5％至7％会耗散。在没有摩电发生器(或其他先进能量回收装置)来回收和保持这种耗散能量的情况下，能量可能会不期望地损失到周围环境。因此，任何目前所公开碳基微结构，诸如在反应室或反应器中由含碳气态物质(诸如甲烷(ch4))在飞行中自成核的那些(如stowell等人在2020年2月7日提交的名称为“3d self
‑
assembled multi
‑
modal carbon
‑
based particle”的美国专利申请序列号16/785,020中所公开)，可用于形成适合于指示车辆部件磨损或劣化的传感器，如先前所论述。
[0245]
替代地或此外，此类碳基微结构可并入摩电能量发生器本身内，并进行优化以形成具有可调整(可调谐)极化率的含碳摩电导体，并且能够串联组织和/或连接以适应多种功率供应和产生场景或需求。如此描述的含碳摩电能量发生器可任选地均匀散布在整个给定轮胎层片中，从而跨轮胎的整个宽度以及围绕轮胎周向地延伸，而不是位于局部传感器处(小于轮胎宽度)。因此，此类全轮胎层片宽度的含碳摩电能量发电器(和/或与遍及一个
或多个轮胎层分布的局部摩电能量发生器通信的局部传感器)均可提供以下益处：
[0246]
·
轮胎表面处的高接触面积实现最优电荷发生/表面电气化(剥蚀—指代通过汽化、碎裂或其他侵蚀过程从对象去除或破坏材料，其他侵蚀过程诸如由于摩擦、形成新表面以及电阻变化并且潜在地与胎面磨损/使用寿命相关)；
[0247]
·
可针对介电常数相关静电感应(指代通过以下方式使对象中的电荷因受附近电荷影响而重新分布以在材料中形成或产生静电：使带电对象靠近材料，这导致电荷在材料中重新分布，从而导致一侧具有过量的正(+)或负(
‑
)电荷)对调谐石墨烯和橡胶复合材料进行优化；
[0248]
·
石墨烯可被调谐为实现最优最终用途应用领域特定轮胎特性(诸如优化湿或干操纵、滚动阻力等)和电荷发生(润湿性)；以及
[0249]
·
可捕获轮胎的振动(装载和卸载(指代材料挠曲)，其可潜在地与阻抗变化相关)并将其变换为可用电功率。
[0250]
图13b是与并入车辆轮胎中的摩电发生器相关的信息13b00的呈现。这里阐述的摩电发生器的车辆特定应用适用于捕获和再使用原本由于轮胎和与其接触的硬路面之间的滚动摩擦而损失的能量的大约5％至7％。具体地，包含二氧化硅、水泥和金属的地表面(或含金属复合材料)可充当电子供给材料，其与并入传感器或例如橡胶充气轮胎的主体的整个层片内的碳基微结构(诸如石墨烯)中的电子接受材料接触。
[0251]
石墨烯(在一些示例中，特别地指代由包含耦接在一起的多个石墨烯片材的团聚体合成的3d分层碳基微结构)的作用可被调谐为在其渗流阈值(指代绝缘材料转化为导电材料的填料最低浓度)下充当电导体，并且在轮胎的暴露表面处提供相对高的接触面积以实现最优电荷发生。这可尤其适用于以下配置：其中一个或多个轮胎层片的整个宽度并入至少一些碳基微结构，从而使得整个主体层片和/或胎面层是至少部分地导电的。导电材料可容纳由摩电发生器通过剥蚀(指代在与硬路面接触时去除或破坏轮胎主体层片和/或胎面层中的含碳橡胶，从而造成所述材料的蒸发)产生的电荷。
[0252]
此外，并入轮胎主体层片和/或胎面层内的石墨烯可用于多种理想目的，包括被调谐为实现最优轮胎特性，诸如被调谐为实现最优的在湿或干条件下的操纵、滚动阻力等。轮胎在装载和卸载条件下的振动也可影响能够捕获和再利用所产生电荷以用于材料劣化检测目的的这种部分导电轮胎内的所观察到的阻抗变化。
[0253]
图14a至图14c示出滚动车轮(配备有单个电极和铜层压聚二甲基硅氧烷pdms贴片)上的电荷发生的示意图1400，以展示在诸如道路硬路面的地面上滚动的车轮的增量电荷发生。目前所公开碳基纳米结构中的任一者或多者，无论是用于形成表面上的传感器、嵌入轮胎层片中、还是混合在橡胶制剂中以形成含碳轮胎层片，都可与包括由示意图1400示出的设计的摩电能量发生器一起工作。如图所示，摩电能量发生器可具有以下部件：金属片材1406，其可连接到电负载1404(指代消耗有效电功率的电路的电部件或部分)，所述电负载1404进而连接到金属膜1402，所述金属膜1402与接触地面1410的聚合物膜1408接触。
[0254]
也就是说，由示意图1400示出的设备可用于向共振器提供电功率以与传感器中和轮胎主体层片和/或胎面层内或上的其他地方的碳基微结构进行电子通信，并且可适应至少以下原则、能力和/或观察结果：
[0255]
·
使用粗糙pdms薄膜模拟轮胎表面的单电极摩电纳米发生器(s
‑
teng)的设计可
有效地吸取废弃的来自滚动轮胎的摩擦能；
[0256]
·
s
‑
teng设计非常简单、可扩展，并且能够轻松整合到广泛多种潜在的最终用途应用领域；
[0257]
·
摩电输出随轮胎的负载和移动速度单调地增加(指代有序集之间保持或反转给定顺序的函数)；
[0258]
·
s
‑
teng已成功实现到玩具车辆的轮胎，并且在车辆在地面上移动时给6个商用发光二极管(led)瞬时供电；以及
[0259]
·
这一发展为提高常规车辆的燃料效率或电动车辆的巡航能力提供有前景的解决方案。
[0260]
摩电纳米发生器(teng)总体上是基于众所周知的摩电原理将机械能转换成电力的能量采集装置。已经开发出使用pdms模拟轮胎表面以用于吸取废弃的来自滚动轮胎的摩擦能的单电极teng(s
‑
teng)的创新设计，并且可将其与目前所公开系统、方法和材料整合。通过将pdms s
‑
teng固定在橡胶车轮上，已经成功地系统地研究了吸取摩擦能的性能。车轮上s
‑
teng的电输出随着车轮移动速度和重量负载的增加展示出单调增加。
[0261]
已经在10mω的负载电阻下获得大约1.79mw的最大瞬时功率，这对应于最高10.4％的能量转换效率。而且，多个s
‑
teng的阵列已实现到玩具车辆的轮胎，并且在车辆在地面上移动时给6个商用绿色发光二极管(led)提供瞬时供电。这一成功展示支持可吸取废弃的来自滚动轮胎的摩擦能的有前景的解决方案，这可提高电动车辆的燃料效率或巡航能力，并且可给所呈现共振器供电。
[0262]
图14d示出根据一些实现方式的摩电功率发生器或马达的示例性转子和定子配置14d00。可使用各种已知材料，然而配置14d00中所示的示例可包括(至少)：外壳14d02、铜层14d04、氟化乙烯丙烯(fep)材料是六氟丙烯和四氟乙烯的共聚物(并且与聚四氟乙烯树脂的不同之处在于它可使用常规注射成型和螺杆挤出技术进行熔融处理)、铝辊14d16、海绵层和丙烯酸芯14d14。
[0263]
在操作中，丙烯酸芯14d14可在方向14d08上旋转并且由多个层包裹，多个层中的每一层都围绕并接触前一层和后一层两者。即，丙烯酸层14d14可由海绵层14d06(其可根据适应电荷捕获和转移的需要而向内压缩以减小且之后恢复厚度)围绕，所述海绵层14d06可由铜层14d04(其可包括分散在其中的大量fep)和外壳14d02围绕。
[0264]
定子14d16可与方向14d14相反地旋转，如放大部分14d12所示，以采集摩电产生的电荷。所观察到的物理值和参数(例如，当与任何上述摩电功率发生装置结合使用时)包括(至少)以下项：
[0265]
·
在20mω的负载电阻和1000r/min的转速下，250mw/m2的峰值功率密度；
[0266]
·
同时给16个并联聚光灯供电，并在170秒内将200μf商用电容器充电至120v；
[0267]
·
在10mω的负载电阻下，15mw/cm3的测量功率密度；以及
[0268]
·
在约1mω的负载电阻和1000rpm的转速下，267mw/cm2的峰值功率。
[0269]
图14e示出与配备有先进自供电系统14e00(包括例如以实际形式实现为电路和/或离散电路以及以代表性形式实现为“等效”电路的摩电能量发生器，如下文将进一步详述)的车辆相关的示意图，系统14e00并入车辆14e02的轮胎14e04(任何类型的轮胎，诸如传统充气轮胎以及下一代实心无气轮胎)。系统14e00可包括固定在轮胎14e04之一的主体
14e08内或一个或多个胎面层内的可压缩六边形结构摩电能量纳米发生器(ch
‑
teng)14e06的阵列的配置。ch
‑
teng 14e06可基本上类似于任何当前所公开摩电功率发生装置(并相应地工作)，但每个摩电能量发生器具有基本上六边形形状。其他潜在表示14f02在图14f中示出。
[0270]
ch
‑
teng 14e06可产生电荷，所述电荷可用于形成适合于给共振器供电的电流，所述共振器能够进一步发射由收发器14e10发射的信号(能够以信号形式发射和接收电磁辐射)。ch
‑
tengs 14e06的某些配置还可包括传统电子部件，诸如整流器和电容器，以与可为胎压监测系统(tpms)的一部分的无线胎压传感器通信，以提供整体轮胎磨损监测解决方案。
[0271]
系统14e00可包括与轮胎异常检测和通信相关的至少三(3)种类型的部件、功能性和/或子系统，包括通过以下方式工作的设备：
[0272]
·
发射rf信号，诸如由收发器14e10发射，或由共振器进一步发射；
[0273]
·
响应于rf信号而共振(更具体地，通过响应于激励信号进行共振而产生相应共振信号)，诸如由传统lc、共振和/或储槽电路(或任何其他分立电路元件)和/或被调谐为使信号在已知频率和/或强度等级下共振和/或衰减的含碳微结构执行的共振；以及
[0274]
·
使rf信号频移和/或衰减，如由含碳材料制成的传感器或包括处于固定或各种浓度水平的混合物整个表面(诸如车辆轮胎胎面层和/或层片)等所执行。
[0275]
总体上，共振器可以离散形式实现，即实现为lc电路，也称作共振电路、储槽电路或调谐电路。这种类型的共振器是由连接在一起的分立部件组成的电路，所述分立部件诸如由字母l表示的电感器和由字母c表示的电容器。电路可充当电共振器，即声波调音叉的电模拟，从而存储能量并发射在电路的自然共振频率下振荡的能量。
[0276]
lc电路可用于产生特定频率的信号，也可用于从更复杂信号提取特定频率的信号；此功能称为“带通滤波器”。它们是诸如振荡器、滤波器、调谐器和混频器等的电路中所使用的许多电子装置(特别地无线电设备)中的关键部件。
[0277]
然而，由于此类部件(诸如以上如此描述的传统lc电路)因磨耗和/或温度升高等而存在的可能的所不希望的劣化和损坏，将分立电子部件并入潜在高磨耗区域(例如像暴露而与硬路面或地面接触的车辆轮胎胎面层)可能存在问题。
[0278]
因此，在一些实现方式中，共振器可由仅含碳微结构和独立于任何分立电子器件的相关材料制成。此类含碳微结构可形成传感器，所述传感器可嵌入轮胎主体的轮胎层片内，或嵌入轮胎胎面层内，或两者兼有。此外，可将含碳微结构混合到轮胎形成性材料(诸如橡胶)中，以便以例如可影响信号产生性能的变化的类似(或甚至相同)的浓度水平存在于一个或多个层片和/或轮胎胎面层内。
[0279]
由含碳微结构制成的传感器、层片和/或轮胎胎面层通过提供等效(至少基本上相同)的功能性和性能，可有效且完全地替代传统分立电路部件(诸如上述共振电路)，并且因此可由等效电路14e12表示，所述等效电路14e12可由ch
‑
teng 14e06供电，或者不是的话，则通过响应于激励信号(诸如由收发器发射的信号)进行共振而产生相应共振信号来供电。等效电路指代保持给定电路(诸如共振电路)的所有电气特性但由线性无源元件制成(且因此不一定需要使用传统分立电路元件)的理论电路。
[0280]
因此，可通过实现充当等效电路的由含碳微结构制成的传感器、层片和/或胎轮胎
面层来避免传统分立电路的所不希望的损坏。在这种配置中，轮胎内部没有安装分立电子部件装置。相反，轮胎的一个或多个不同的轮胎胎面层和/或主体层片可由含碳调谐微结构共振材料构成(和/或以其他方式包括由所述材料制成的传感器)，所述材料在已知频率下共振或在已知频率范围内共振，以促进准确且精确地识别部件磨损。
[0281]
图14f示出意图并入车辆轮胎内的各种类型的摩电能量发生器配置14f00。在与轮胎主体层片和/或胎面层与地面的接触成比例的循环压缩和解压循环(通俗地称为被“压扁”)期间，此类配置可以是基本上六边形的(诸如放大部分14f12所示的形状)，或呈现分别由表示14f02、14f04、14f06、14f08、14f10和14f12示出的结构i
‑
vi所示的任何形式，只要ch
‑
teng可包括在轮胎层片(如图14e所示的轮胎14e04的主体14e08中所示)内并根据轮胎压缩进行压缩。循环压缩
‑
解压行为可促进ch
‑
teng的电荷采集能力。
[0282]
图15a是与如通过胎压监测系统(tpms)实现的对车辆轮胎的基于传感器的监测相关的信息15a00的呈现。总体上，胎压监测系统(tpms)指代被设计为监测各种类型车辆的充气轮胎内部的空气压力的电子系统。tpms通过量表、象形图显示器或简单低压警示灯向车辆驾驶员报告实时胎压信息。tpms可分为两种不同类型—直接(dtpms)和间接(itpms)。tpms在oem(工厂)级以及售后市场解决方案级提供。tpms的目标是通过在早期识别轮胎的危险状态来避免因轮胎充气不足造成的交通事故、不良燃油经济性以及增加的轮胎磨损。
[0283]
任何所公开方法、系统和材料可在功能上与任何类型的tpms结合以支持tpms功能性，从而提供另外的、增强的轮胎劣化信息。如上所述，itpms可监测速度、振动、车轮半径中的任一者，并且可采用更先进的方法(包括使用卡尔曼滤波器(也称为线性二次估计lqe，它是一种算法，所述算法使用随时间推移所观察到的一系列测量结果，包含统计噪声和其他不准确性，并通过估计每个时间范围内变量的联合概率分布来产生对未知变量的估计，这些估计往往比单独基于单个测量结果的估计更准确))以及应变、温度和加速度来确定变形和摩擦(本质上是“蹭用”(指代依赖于)现有防抱死制动系统abs传感器套件的功能性)。而且，dtpms可与(至少)以下能力和/或技术结合或以其他方式进行功能性整合：
[0284]
·
电容式传感器和/或能量发生器：两个表面进行接触(车轮轮辋、阀、nb2o5活性材料)
[0285]
·
应变计：基于聚酰亚胺，虽然膜比橡胶硬得多(脱粘)
[0286]
·
表面声波(saw)传感器，其是依靠于表面声波的调制来感测物理现象的一类微机电系统(mems)；传感器将输入电信号转换成机械波，与电信号不同，机械波可容易受物理现象影响；然后所述装置将所述波转换回电信号；输入和输出电信号之间在幅度、相位、频率或时间延迟上的变化可用于测量所期望现象的存在；saw：压电基板上的交指型电极；
[0287]
·
fabry
–
p
é
rot干涉仪(fpi)或标准具是由两个平行反射表面(诸如薄镜)制成的光学腔；光波只有在与光学腔共振时才能穿过光学腔；
[0288]
·
霍尔效应传感器，指代用于测量磁场量值的装置；它的输出电压与通过它的磁场强度成正比；霍尔效应传感器用于接近感应、定位、速度检测和电流感应应用胎面变形(陶瓷上的gaas)；
[0289]
·
mems(微机电系统，指代微观装置(特别是具有移动部件的那些)的技术)
[0290]
·
非接触超声系统(安装在轮胎内部的车轮轮辋的基部)；以及
[0291]
·
集成在钢丝带束上的电阻器
‑
电容器并联电路。
[0292]
石墨烯和/或其他有序的碳基传感器可与上述tpms系统结合，并采用以下传感器类型和/或变体中的任一种或多种：
[0293]
·
电容式；
[0294]
·
应变计；以及
[0295]
·
基于压电的传感器(zno涂覆的碳纳米管cnt)。
[0296]
图15b是并入基板15b04的基板组件15b00的示意性侧视图。基板组件15b00是abs传感器套件的一部分，并且可与目前所公开系统、方法和材料中的任一者相互作用或一起工作，这些系统、方法和材料并入例如碳基微结构以给共振器提供功率(以电流的形式)。基板组件15b00在间隙15b08上方可具有隔膜厚度15b06，其可响应于外力(如箭头所示)而在含硅区域15b02附近扩张(或压缩)。间隙15b08可设置在基板电极15b12顶部的隔离层15b10上方。
[0297]
图15c是可被配置来监测胎压的基于聚酰亚胺的应变计系统15c00的示意图，应变计系统15c00包括计算资源15c02、响应于外部施加的力15c10的应变计15c04、以及小型化以适应轮胎主体层片和/或胎面层15c08上的轮胎层片上装配件15c12的能力。基于聚酰亚胺的应变计系统15c00可以是与目前所公开系统、方法和材料中的任一者通信的tpms的一部分，以通过进一步详述的轮胎状况劣化相关信息来增强胎压检测能力。
[0298]
图15d是被配置来检测车辆轮胎胎面变形并且并入陶瓷上砷化镓(gaas)的霍尔传感器系统15d00的示意性剖面图。霍尔传感器系统15d00可以是与目前所公开系统、方法和材料中的任一者通信的tpms的一部分，以通过进一步详述的轮胎状况劣化相关信息来增强胎压检测能力。霍尔传感器系统15d00可包括钢丝绳15d04(作为车辆轮胎的一部分)。砷化镓(gaas)霍尔效应发生器15d06与(轮胎的)主体15d10内位于接触道路(被示出为硬路面15d12)的胎面元件上方的磁体15d08一起工作。在车辆操作期间，霍尔传感器系统15d00的运作可产生可用于给共振器供电以明确轮胎状况信息的电荷和/或电流。
[0299]
图15e示出与整合在轮胎主体内的一对15e04钢丝带束15e02上的非接触超声电阻器
‑
电容器并联电路15e00相关的示意图。在车辆操作期间，非接触超声电阻器
‑
电容器并联电路15e00可产生可用于给共振器(如目前所公开)供电以明确轮胎状况信息的电荷和/或电流。这对15e04钢丝带束15e02可定位成相距限定距离15e10以展示可量化介电常数15e06和/或电阻率15e08值。
[0300]
图15f示出非接触超声电阻器
‑
电容器并联电路15e00的另一合适配置(非接触指代单独钢丝带束之间缺乏接触)，其中钢丝与相应电极电耦合和/或连接，如存储和转移电荷和/或传导电流来给这里所公开的共振器供电所需要的。
[0301]
图15g示出非接触超声电阻器
‑
电容器联并电路15e00(如图15e所示)的表示的简化示意图，在一些实现方式中，非接触超声电阻器
‑
电容器联并电路15e00可以是另一种类型的“等效电路”，其特征在于没有分立电路，而是替代地实现由含碳微结构构成的理论电路，这些微结构展现出给定电路的所有电气特性。例如，此等效电路可包括模拟至少电容器(c)和电阻器(r)的功能性的含碳微结构共振材料，这些材料可根据需要被配置来共振，如检测共振材料所展示的频移行为和/或信号衰减所需要。
[0302]
图15h示出整合到车辆轮胎15h02的钢丝带束15h06上的电阻器
‑
电容器并联电路15h10(具有多根电线15h12)的示意图15h00。钢丝带束15h06可靠近轮胎部件(例如侧壁)
15h04而不干扰轮胎胎面花纹15h08。电阻器
‑
电容器并联电路15h10可上述方式中的任一种或多种(诸如通过摩电原理或其他原理)产生可用电荷和/或功率或电流，以将这种功率提供给目前所公开共振器。
[0303]
图16至图18描绘在其他材料之上生长的结构化碳、各种碳纳米粒子、各种基于碳的聚集体和各种三维含碳组件。所公开的内容可以是如本文所提及的碳基微结构的示例。
[0304]
图19示出图16至图18中所示的结构化碳等中的一种或多种的拉曼位移图。在大约2670cm
‑1、1600cm
‑1和1380cm
‑1处(或附近)观察到峰。
[0305]
图20示出轮胎主体层片和/或胎面层中的组成元件(例如橡胶)的示例性晶格式布置2008的透视示意图2000，轮胎主体层片和/或胎面层具有嵌入在元件之内或之间的共振电路(在本文中也称为“共振器”)部件2002、2004和2006。对于共振电路部件，任何设想到的配置都是可能的，其中此类配置会对关于进一步信号发射的振荡和/或共振能力有影响，如对于如本文目前所公开的明确轮胎劣化来说可能相关的。
[0306]
图21是表示在并入车辆轮胎主体层片和/或胎面层中并且处于操作中时与图20所示的共振电路相关联的信号衰减的示例性拉曼强度热图或绘图。
[0307]
图22是示出自组装碳基粒子的示例性配置的示意图，所述自组装碳基粒子具有所示的各种团聚模式2206、2208和2210，其中的任一者或多者可构成集中区2204，所述集中区2204可影响碳基微结构并入其内的材料的共振性能。
[0308]
使用概述
[0309]
部署示例
[0310]
前述技术和材料中的任一种或多种可组合到表面传感器的制造过程中，所述表面传感器意图嵌入车辆相关材料和/或表面(诸如轮胎层片)中。汽车表面传感器可通过以下方式制造：至少部分基于指定频率来选择碳同素异形体；将碳同素异形体与复合材料的其他成分混合；然后使用复合材料形成汽车表面传感器。当受指定频率的电磁辐射(rf信号)刺激时，汽车表面传感器将在指定频率下共振。
[0311]
此外，任何或所有前述技术和材料可组合到轮胎的制造过程中。汽车轮胎可通过以下方式制造：至少部分基于特定频率来选择碳同素异形体；将碳同素异形体与一个或多个轮胎材料中所使用的其他成分混合；然后将一个或多个轮胎材料与另外的轮胎组件组合以组装出轮胎。当受指定频率的电磁辐射刺激时，轮胎材料将在指定频率下共振。此外，这种共振可由指定频率的近侧电磁辐射(诸如ping)引起。严格地作为一个示例，发射指定频率的近侧电磁辐射的调谐天线可位于车辆的轮舱中。
[0312]
结构化碳概述
[0313]
其他结构化碳示例
[0314]
图23a至图23y描绘碳基材料、生长物、团聚体、聚集体、片材、粒子等，诸如在反应室或反应器中由含碳气态物质诸如甲烷(ch4)在飞行中自成核的那些，如stowell等人在2020年2月7日提交的名称为“3d self
‑
assembled multi
‑
modal carbon
‑
based particle”的美国专利申请序列号16/785,020中所公开。
[0315]
与通过常规系统和方法可实现的较低均匀性、较不有序和较低纯度的粒子相比，所示的碳基纳米粒子和聚集体的特征可在于高度“均匀性”(诸如所期望碳同素异形体的高质量分数)、高度“有序”(诸如缺陷的低浓度)、和/或高度“纯度”(诸如元素杂质的低浓度)。
[0316]
使用本文所述的方法生产的纳米粒子可包含多壁球形富勒烯(mwsf)或连接的mwsf，并且具有高度均匀性(诸如石墨烯与mwsf的比率为20％至80％)、高度有序(诸如
d
/i
g
比率为0.95至1.05的拉曼特征)、以及高度纯度(诸如碳与氢以外的其他元素的比率大于99.9％)。使用本文所述的方法生产的纳米粒子包含mwsf或连接的mwsf，并且mwsf不包含由碳以外的杂质元素构成的核。使用本文所述的方法生产的粒子可以是具有大直径(诸如大于10μm)的包含上述纳米粒子的聚集体。
[0317]
常规方法已用于生产包含高有序度的多壁球形富勒烯的粒子，但会导致最终产品具有多种缺点。例如，高温合成技术导致粒子具有多种碳同素异形体的混合物，因此具有较低均匀性(诸如富勒烯相对于其他碳同素异形体少于20％)和/或小粒径(诸如小于1μm，或在某些情况下小于100nm)。使用催化剂的方法会导致产物包括催化剂元素，并且因此也具有相对较低的纯度(指代碳相对于其他元素少于95％)。这些不期望特性还常常导致所得碳粒子的不期望电气特性(诸如电导率小于1,000s/m)。
[0318]
本文所述的碳纳米粒子和聚集体的特征可在于指示结构的高度有序和均匀性的拉曼光谱。本文所述的均匀有序和/或纯的碳纳米粒子和聚集体可使用相对高速、低成本的改进热反应器和方法来生产，如下文所描述。
[0319]
如通常所理解及本文中所提及，术语“石墨烯”意味着碳的同素异形体，其呈二维原子尺度的六边形晶格的形式，其中一个原子形成每个顶点。石墨烯中的碳原子是sp2键合的。此外，石墨烯所具有的拉曼光谱有两个主峰：大约1580cm
‑1处的g模式和大约1350cm
‑1处的d模式(当使用532nm激发激光时)。
[0320]
如通常所理解及本文中所提及，术语“富勒烯”意味着呈空心球体、椭圆体、管或其他形状的形式的碳分子。球形富勒烯也可称为巴克敏斯特富勒烯或巴克球。圆柱形富勒烯也可称为碳纳米管。富勒烯在结构上类似于石墨，石墨由链接的六边形环的堆叠石墨烯片构成。富勒烯也可包含五边形(或有时七边形)环。
[0321]
如通常所理解及本文中所提及，术语“多壁富勒烯”意味着具有多个同心层的富勒烯。例如，多壁纳米管(mwnt)包含多个石墨烯轧制层(同心管)。多壁球形富勒烯(mwsf)包含多个同心富勒烯球体。
[0322]
如通常所理解及本文中所提及，术语“纳米粒子”意味着测量为1nm至989nm的粒子。纳米粒子可包括一种或多种结构特性(诸如晶体结构、缺陷浓度等)，以及一种或多种原子类型。纳米粒子可呈任何形状，包括但不限于球形形状、类球形形状、哑铃形状、圆柱形状、细长圆柱形状、长方柱形状、盘形状、丝形状、不规则形状、致密形状(诸如具有少量空隙)、多孔形状(诸如具有许多空隙)等。
[0323]
如通常所理解及本文中所提及，术语“聚集体”意味着通过范德华力、通过共价键、通过离子键、通过金属键或通过其他物理或化学相互作用连接在一起的多个纳米粒子。聚集体在大小上可显著变化，但总体上大于约500nm。
[0324]
碳纳米粒子可包括两(2)个或更多个连接的多壁球形富勒烯(mwsf)和涂覆连接的mwsf的石墨烯层，并且可形成为独立于由碳以外的杂质元素构成的核。如本文所述，碳纳米粒子可包括两(2)个或更多个连接的多壁球形富勒烯(mwsf)和涂覆连接的mwsf的石墨烯层。在这种配置中，其中mwsf在中心处不包含空隙(指代没有大于约0.5nm或大于约1nm的碳原子的空间)。连接的mwsf可由sp2杂化碳原子的同心良序球体形成(与原本无法实现本文
所公开的出乎意料且有利的特性中的任一种或多种的顺序随意、不均匀、无定形碳粒子的常规球体相比，这是有利的)。
[0325]
包含连接的mwsf的纳米粒子所具有的平均直径在5至500nm、或5至250nm、或5至100nm、或5至50nm、或10至500nm、或10至250nm、或10至100nm、或10至50nm、或40至500nm、或40至250nm、或40至100nm、或50至500nm、或50至500nm、或50至250nm、或50至100nm的范围内。
[0326]
本文所述的碳纳米粒子形成聚集体，其中许多纳米粒子聚集在一起以形成更大单元。一个碳聚集体可包括多个碳纳米粒子。跨碳聚集体的直径可在10至500μm、或50至500μm、或100至500μm、或250至500μm、或10至250μm、或10至100μm、或10至50μm的范围内。聚集体可由多个碳纳米粒子形成，如上所定义。聚集体可包含连接的mwsf，诸如具有高均匀性指标(诸如石墨烯与mwsf的比率为20％至80％)、高有序度(诸如i
d
/i
g
比率为0.95至1.05的拉曼特征)、以及高纯度(诸如碳大于99.9％)的那些。
[0327]
碳纳米粒子的聚集体，主要是指直径在上述范围内的那些，尤其是大于10μm的粒子，总体上比小于500nm的粒子或粒子聚集体更易收集。易于收集降低了用于生产碳纳米粒子的制造设备的成本并增加了碳纳米粒子的产量。在大小上大于10μm的粒子与处置较小纳米粒子的风险相比所带来的安全问题较少，诸如由于吸入较小纳米粒子造成的潜在健康和安全风险。更低的健康和安全风险因此进一步降低制造成本。
[0328]
参考本文公开的内容，碳纳米粒子所具有的石墨烯与mwsf的比率可为10％至90％、或10％至80％、或10％至60％、或10％至40％、或10％至20％、或20％至40％、或20％至90％、或40％至90％、或60％至90％、或80％至90％。碳聚集体所具有的石墨烯与mwsf的比率为10％至90％、或10％至80％、或10％至60％、或10％至40％、或10％至20％、或20％至40％、或20％至90％、或40％至90％、或60％至90％、或80％至90％。碳纳米粒子所具有的石墨烯与连接的mwsf的比率为10％至90％、或10％至80％、或10％至60％、或10％至40％、或10％至20％、或20％至40％、或20％至90％、或40％至90％、或60％至90％、或80％至90％。碳聚集体所具有的石墨烯与连接的mwsf的比率为10％至90％、或10％至80％、或10％至60％、或10％至40％、或10％至20％、或20％至40％、或20％至90％、或40％至90％、或60％至90％、或80％至90％。
[0329]
拉曼光谱可用于表征碳同素异形体以区分它们的分子结构。例如，石墨烯可使用拉曼光谱来表征，以确定诸如有序/无序、边缘和晶界、厚度、层数、掺杂、应变和热导率。mwsf也已使用拉曼光谱来表征，以确定mwsf的有序度。
[0330]
拉曼光谱用于表征参考并入如本文所论述的各种轮胎相关轮胎层片内的结构使用的mwsf或连接的mwsf的结构。拉曼谱中的主峰是g模式和d模式。g模式归因于sp2‑
杂化碳网络中碳原子的振动，而d模式与具有缺陷的六方碳环的呼吸相关。在一些情况下，可能存在缺陷，但在拉曼谱中可能无法检测到。例如，如果呈现的晶体结构与基面正交，则d峰将显示增加。替代地，如果呈现有相对于基面平行的完美平面表面，则d峰将为零。
[0331]
当使用532nm入射光时，对于平面石墨，拉曼g模式通常在1582cm
–1处，但是对于mwsf或连接的mwsf，拉曼g模式可下移(例如，下移至1565cm
–1或下移至1580cm
–1)。在mwsf或连接的mwsf的拉曼谱中，在大约1350cm
–1处观察到d模式。d模式峰与g模式峰的强度的比率(诸如i
d
/i
g
)与mwsf的有序度相关，其中较低的i
d
/i
g
指示较高的有序度。接近或低于1的i
d
/
i
g
指示相对高的有序度，而大于1.1的i
d
/i
g
指示较低的有序度。
[0332]
如本文所述，当使用532nm入射光时，包含mwsf或连接的mwsf的碳纳米粒子或碳聚集体可具有和/或展示具有在约1350cm
‑1处的第一拉曼峰以及在约1580cm
‑1处的第二拉曼峰的拉曼光谱。对于本文所述的纳米粒子或聚集体，第一拉曼峰强度与第二拉曼峰强度的比率(例如，
id
/i
g
)可在0.95至1.05、或0.9至1.1、或0.8至1.2、或0.9至1.2、或0.8至1.1、或0.5至1.5的范围内、或小于1.5、或小于1.2、或小于1.1、或小于1、或小于0.95、或小于0.9、或小于0.8。
[0333]
包含mwsf或连接的mwsf的碳聚集体，如上文所定义，具有高纯度。包含mwsf或连接的mwsf的碳聚集体所具有的碳与金属的比率大于99.99％、或大于99.95％、或大于99.9％、或大于99.8％、或大于99.5％、或大于99％。碳聚集体所具有的碳与其他元素的比率大于99.99％、或大于99.95％、或大于99.9％、或大于99.5％、或大于99％、或大于90％、或大于80％、或大于70％、或大于60％。碳聚集体所具有的碳与其他元素(氢除外)大于99.99％、或大于99.95％、或大于99.9％、或大于99.8％、或大于99.5％、或大于99％、或大于90％、或大于80％、或大于70％、或大于60％。
[0334]
包含mwsf或连接的mwsf的碳聚集体，如上文所定义，具有高比表面积。碳聚集体所具有的布鲁诺、埃米特和特勒(bet)比表面积为10至200m2/g、或10至100m2/g、或10至50m2/g、或50至200m2/g、或50至100m2/g、或10至1000m2/g。
[0335]
包含mwsf或连接的mwsf的碳聚集体，如上文所定义，具有高电导率。包含mwsf或连接的mwsf的碳聚集体，如上文所定义，被压缩成球团，并且球团所具有的电导率大于500s/m、或大于1,000s/m、或大于2,000s/m、或大于3,000s/m、或大于4,000s/m、或大于5,000s/m、或大于10,000s/m、或大于20,000s/m、或大于30,000s/m、或大于40,000s/m、或大于50,000s/m、或大于60,000s/m、或大于70,000s/m、或500s/m至100,000s/m、或500s/m至1,000s/m、或500s/m至10,000s/m、或来自500s/m至20,000s/m、或500s/m至100,000s/m、或1000s/m至10,000s/m、或1,000s/m至20,000s/m、或10,000至100,000s/m、或10,000s/m至80,000s/m、或500s/m至10,000s/m。在一些情况下，球团的密度为大约1g/cm3、或大约1.2g/cm3、或大约1.5g/cm3、或大约2g/cm3、或大约2.2g/cm3、或大约2.5g/cm3、或大约3g/cm3。此外，已经进行了测试，其中已经在2,000psi和12,000psi的压缩以及800℃和1,000℃的退火温度下形成碳聚集体材料的压缩球团。更高的压缩和/或更高的退火温度总体上导致球团具有更高的电导率，包括在12,410.0s/m至13,173.3s/m范围内的电导率。
[0336]
使用热处理系统生产的高纯度碳同素异形体
[0337]
本文所述的碳纳米粒子和聚集体可使用热反应器和方法生产。有关热反应器和/或使用方法的更多细节可在2018年1月9日发布的名称为“cracking of a process gas”的美国专利号9,862,602中找到，所述专利特此以引用方式整体并入。此外，含碳前体和/或烃前体(指代至少甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和天然气)可与热反应器一起使用以生产本文所述的碳纳米粒子和碳聚集体。
[0338]
本文所述的碳纳米粒子和聚集体使用气体流速为1slm至10slm、或0.1slm至20slm、或1slm至5slm、或5slm至10slm、或大于1slm、或大于5slm的热反应器生产。本文所述的碳纳米粒子和聚集体使用气体共振时间为0.1秒(s)至30s、或0.1s至10s、或1s至10s、或1s至5s、或5s至10s、或大于0.1s、或大于1s、或大于5s、或小于30s的热反应器生产。
[0339]
本文所述的碳纳米粒子和聚集体可使用生产率为10g/h至200g/h、或30g/h至200g/h、或30g/h至100g/h、或30g/h至60g/h、或10g/h至100g/h、或大于10g/h、或大于30g/h、或大于100g/h的热反应器生产。
[0340]
热反应器(或其他裂化设备)和热反应器方法(或其他裂化方法)可用于将原料工艺气体精炼、热解、离解或裂化为其成分以生产本文所述的碳纳米粒子和碳聚集体，以及其他固态和/或气态产物(诸如氢气和/或低级烃类气体)。原料工艺气体总体上包括例如氢气(h2)、二氧化碳(co2)、c1至c
10
烃、芳烃、和/或其他烃类气体(诸如天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、饱和/不饱和烃类气体、乙烯、丙烯等)，以及它们的混合物。碳纳米粒子和碳聚集体可包括例如多壁球形富勒烯(mwsf)、连接的mwsf、碳纳米球、石墨烯、石墨、高度有序的热解石墨、单壁纳米管、多壁纳米管、其他固态碳产物，和/或本文所述的碳纳米粒子和碳聚集体。
[0341]
用于生产本文所述的碳纳米粒子和碳聚集体的方法可包括热裂化方法，其使用例如任选地包封在热裂化设备的细长外壳、壳体或主体内的细长纵向加热元件。主体可包括例如由不锈钢、钛、石墨、石英等制成的一个或多个管或其他适当封壳。热裂化设备的主体在形状上是总体上圆柱形的，具有竖直布置的中心细长纵向轴线和在主体顶部处或其附近的原料工艺气体入口。原料工艺气体可纵向向下流过主体或其一部分。在竖直配置中，气流和重力都有助于从热裂化设备的主体中去除固态产物。
[0342]
加热元件可包括以下中的任一者或多者：加热灯、一根或多根电阻丝或细丝(或绞线)、金属细丝、金属条或棒、和/或其他适当的热自由基发生器或元件，它们可被加热到足以将原料工艺气体的分子热裂化的特定温度(诸如分子裂化温度)。加热元件可设置、定位或布置成在热裂化设备的主体内沿其中心纵向轴线居中地延伸。在仅具有一个加热元件的配置中，可包括将加热元件放置在中心纵向轴线处或与中心纵向轴线同心；替代地，对于具有多个加热元件的配置，可包括它们在靠近和围绕并平行于中心纵向轴线的位置处总体上对称地或同心地间隔开或偏移。
[0343]
热裂化以生产本文所述的碳纳米粒子和聚集体可通过以下方式实现：使原料工艺气体在纵向细长反应区内在加热元件之上流动、或与其接触、或在其附近流动，以将原料工艺气体加热到特定分子裂化温度或在所述温度下加热原料工艺气体，所述纵向细长反应区由来自加热元件的热量产生并且由热裂化设备的主体限定并包含在主体内部。
[0344]
反应区可被认为是围绕用于原料工艺气体的加热元件并且足够靠近加热元件一接收足够的热量来将原料工艺气体的分子热裂化的区域。因此，反应区总体上与主体的中心纵向轴线轴向对准或同心。热裂化在特定压力下执行。原料工艺气体围绕或跨越反应区的容器或加热室的外表面循环以冷却容器或室并在原料工艺气体流入反应区之前对其进行预热。
[0345]
本文所述的碳纳米粒子和聚集体和/或氢气是在不使用催化剂的情况下生产的。因此，所述方法可完全没有催化剂。
[0346]
所公开的方法和系统可有利地根据需要针对不同的生产水平快速放大或缩小，诸如可放大以提供独立的氢和/或碳纳米粒子生产站、烃源或燃料电池站，以诸如为提炼厂等提供更高容量的系统。
[0347]
用于裂化原料工艺气体以生产本文所述的碳纳米粒子和聚集体的热裂化设备包
括主体、原料工艺气体入口和细长加热元件。主体具有带纵向轴线的内部容积。内部容积具有与纵向轴线同心的反应区。在热裂化操作期间，原料工艺气体可通过原料工艺气体入口流入内部容积。细长加热元件可沿纵向轴线设置在内部容积内并由反应区围绕。在热裂化操作过程中，细长加热元件由电功率加热到分子裂化温度以产生反应区，原料工艺气体由来自细长加热元件的热量加热，并且热量将反应区内的原料工艺的分子热裂化成分子的成分。
[0348]
用于裂化原料工艺气体以生产本文所述的碳纳米粒子和聚集体的方法可包括以下中的至少任一者或多者：(1)提供热裂化设备，其具有带纵向轴线的内部容积，以及沿纵向轴线设置在内部容积内的细长加热元件；(2)通过电功率将细长加热元件加热到分子裂化温度以在内部体积内产生纵向细长反应区；(3)使原料工艺气体流入内部容积并通过纵向细长反应区(诸如，其中原料工艺气体由来自细长加热元件的热量加热)；以及(4)在原料工艺气体流过纵向伸长反应区时，将纵向伸长反应区内的原料工艺气体的分子热裂化成其成分(诸如氢气和一种或多种固态产物)。
[0349]
用于生产本文所述的碳纳米粒子和聚集体的原料工艺气体可包括烃类气体。裂化的结果进而还可包括呈气态形式的氢(例如，h2)和各种形式的本文所述的碳纳米粒子和聚集体。碳纳米粒子和聚集体包括两个或更多个mwsf和涂覆mwsf的石墨烯层，和/或连接的mwsf和涂覆连接的mwsf的石墨烯层。在使原料工艺气体流入内部容积之前，通过使原料工艺气体流过加热室与热裂化设备的壳之间的气体预热区来对原料工艺气体进行预热(例如，预热至100℃至500℃)。使其中具有纳米粒子的气体流入内部容积并通过纵向细长反应区以与原料工艺气体混合，以在纳米粒子周围形成固态产物的涂层(诸如石墨烯层)。
[0350]
后处理高纯度结构化碳
[0351]
可在无需完成任何后处理处置或操作的情况下生产和收集本文所述的包含多壁球形富勒烯(mwsf)或连接的mwsf的碳纳米粒子和聚集体。替代地，可对目前所公开mwsf中的一个或多个执行一些后处理。制造和使用共振材料所涉及的后处理的一些示例包括机械处理，诸如球磨、研磨、碾磨、微流化，以及在不损坏mwsf的情况下减小粒径的其他技术。后处理的一些进一步示例包括剥离过程(指代含碳材料层的完全分离，诸如从石墨形成或提取石墨烯层等)，包括剪切混合、化学蚀刻、氧化(诸如hummer法)、热退火、通过在退火期间添加元素(诸如硫和/或氮)进行掺杂、汽蒸、过滤和冻干等。后处理的一些示例包括烧结过程，诸如火花等离子体烧结(sps)、直流烧结、微波烧结和紫外线(uv)烧结，这些过程可在惰性气体中在高压和高温下进行。多种后处理方法可一起使用或串联使用。后处理产生包含多壁球形富勒烯(mwsf)或连接的mwsf的功能化碳纳米粒子或聚集体。
[0352]
材料可不同的组合、数量和/或比率混合在一起。可在一个或多个后处理操作(如果有的话)之前将包含本文所述的mwsf或连接的mwsf的不同的碳纳米粒子和聚集体混合在一起。例如，可将具有不同特性(诸如不同大小、不同组成、不同纯度、来自不同处理轮次等)的包含mwsf或连接的mwsf的不同的碳纳米粒子和聚集体混合在一起。可将本文所述的包含mwsf或连接的mwsf的碳纳米粒子和聚集体与石墨烯混合以改变混合物中连接的mwsf与石墨烯的比率。可在后处理之后将本文所述的包含mwsf或连接的mwsf的不同的碳纳米粒子和聚集体混合在一起。可以任意数量、比率和/或组合将具有不同特性和/或不同后处理方法(例如，不同大小、不同组成、不同功能性、不同表面特性、不同表面积)的包含mwsf或连接的
mwsf的不同的碳纳米粒子和聚集体混合在一起。
[0353]
生产和收集本文所述的碳纳米粒子和聚集体，随后通过机械研磨、碾磨和/或剥离进行处理。处理(诸如通过机械研磨、碾磨、剥离等)可减小粒子的平均大小。处理(诸如通过机械研磨、碾磨、剥离等)增加粒子的平均表面积。通过机械研磨、碾磨和/或剥离进行的处理剪掉碳层的一些部分，从而产生与碳纳米粒子混合的石墨片。
[0354]
使用球磨机、行星磨机、棒磨机、剪切混合机、高剪切造粒机、自磨机或用于通过研磨、压碎或切割将固体材料破碎成更小块的其他类型的机加工来执行机械研磨或碾磨。机械研磨、碾磨和/或剥离是湿或干执行的。机械研磨是通过研磨一段时间、然后空转一段时间、然后重复磨削和空转多个循环来执行。研磨时段为1分钟(min)至20min、或1min至10min、或3min至8min、或大约3min、或大约8min。空转时段为1min至10min、或大约5min、或大约6min。研磨和空转循环的数量为1min至100min、或5min至100min、或10min至100min、或5min至10min、或5min至20min。研磨和空转的总时间量为10min至1200min、或10min至600min、或10min至240min、或10min至120min、或100min至90min、或10min至60min、或大约90min、或大约min分钟。
[0355]
循环中的研磨步骤通过在第一循环中在一个方向上(诸如顺时针)旋转碾磨机、然后在下一循环中在相反方向上(诸如逆时针)旋转碾磨机来执行。机械研磨或碾磨使用球磨机执行，并且研磨步骤使用100至1000rpm、或100至500rpm、或约400rpm的转速执行。机械研磨或碾磨使用球磨机执行，所述球磨机使用直径为0.1mm至20mm、或0.1mm至10mm、或1mm至10mm、或大约0.1mm、或大约1mm、或大约10mm的碾磨介质。机械研磨或碾磨使用球磨机执行，所述球磨机使用由金属诸如钢、氧化物诸如氧化锆(zirconium oxide/zirconia)、氧化钇稳定的氧化锆、二氧化硅、氧化铝、氧化镁或其他硬质材料诸如碳化硅或碳化钨构成的碾磨介质。
[0356]
生产和收集本文所述的碳纳米粒子和聚集体，随后使用升高的温度诸如热退火或烧结进行处理。使用升高的温度进行处理在惰性环境诸如氮或氩中进行。使用升高的温度进行处理在大气压下、或在真空下、或在低压下进行。使用升高的温度进行处理在500℃至2,500℃、或500℃至1,500℃、或800℃至1,500℃、或800℃至1,200℃、或800℃至1,000℃、或2,000℃至2,400℃、或大约8,00℃、或大约1,000℃、或大约1,500℃、或大约2,000℃、或大约2,400℃的温度下进行。
[0357]
生产和收集本文所述的碳纳米粒子和聚集体，随后在后处理操作中，将另外的元素或混配物添加到碳纳米粒子，从而将碳纳米粒子和聚集体的独特特性并入其他材料混合物中。
[0358]
在后处理之前或之后，将本文所述的碳纳米粒子和聚集体添加到其他元素或混配物的固体、液体或浆液中以形成并入碳纳米粒子和聚集体的独特特性的另外材料混合物。本文所述的碳纳米粒子和聚集体与其他固体粒子、聚合物或其他材料混合。
[0359]
在后处理之前或之后，本文所述的碳纳米粒子和聚集体用于除与制造和使用共振材料有关的应用之外的各种应用。此类应用包括但不限于运输应用(诸如汽车和卡车轮胎、联轴器、支架、弹性“o”型圈、软管、密封剂、垫圈等)和工业应用(诸如橡胶添加剂、聚合物材料功能化添加剂、环氧树脂添加剂等)。
[0360]
图23a和图23b示出合成后原样的碳纳米粒子的透射电子显微镜(tem)图像。图23a
(在第一放大倍数下)和图23b(在第二放大倍数下)的碳纳米粒子包含连接的多壁球形富勒烯(mwsf)与涂覆连接的mwsf的石墨烯层。由于共振时间相对较短，本示例中mwsf与石墨烯同素异形体的比率为大约80％。图4a中的mwsf的直径约为大约5nm至10nm，并且使用上述条件，直径可为5nm至500nm。跨mwsf的平均直径在5nm至500nm、或5nm至250nm、或5nm至100nm、或5nm至50nm、或10nm至500nm、或10nm至250nm、或10nm至100nm、或10nm至50nm、或40nm至500nm、或40nm至250nm、或40nm至100nm、或50nm至500nm、或50nm至250nm、或50nm至100nm的范围内。此过程中未使用催化剂，因此，不存在包含污染物的中心种子。在此示例中生产的聚集体粒子所具有的粒径为大约10μm至100μm、或大约10μm至500μm。
[0361]
图23c示出此示例中的合成后原样的聚集体在532nm入射光下取得的拉曼光谱。在此示例中产生的聚集体的i
d
/i
g
为大约0.99至1.03，指示聚集体由高度有序的碳同素异形体构成。
[0362]
图23d和图23e示出碳纳米粒子通过在球磨机中研磨进行尺寸缩减后的示例性tem图像。球磨按3分钟(min)逆时针研磨操作、之后是6min空转操作、然后是3min顺时针研磨操作、之后是6min空转操作的循环执行。研磨操作使用400rpm的转速执行。碾磨介质是氧化锆，并且尺寸范围是0.1mm至10mm。总尺寸缩减处理时间是60min至120min。在尺寸缩减之后，在此示例中产生的聚集体粒子所具有的粒径为大约1μm至5μm。尺寸缩减之后的碳纳米粒子是连接的mwsf，其具有涂覆连接的mwsf的石墨烯层。
[0363]
图23f示出在532nm入射光下取得的来自尺寸缩减之后的这些聚集体的拉曼光谱。此示例中的聚集体粒子在尺寸缩减之后的i
d
/i
g
为大约1.04。此外，尺寸缩减之后的粒子所具有的布鲁诺、埃米特和特勒(bet)比表面积为大约40m2/g至50m2/g。
[0364]
在此示例中产生的聚集体的纯度使用质谱法和x射线荧光(xrf)光谱法测量。在16个不同批次中测量的碳与除氢以外的其他元素的比率为99.86％至99.98％，碳平均为99.94％。
[0365]
在此示例中，使用热线处理系统产生碳纳米粒子。前体材料是甲烷，其流速为1slm至5slm。在这些流速和工具几何形状下，反应室中气体的共振时间为大约20秒至30秒，并且碳粒子生产率为大约20g/h。
[0366]
关于这种处理系统的更多细节可见于先前提及的名称为“cracking of a process gas”的美国专利9,862,602。
[0367]
实施例
[0368]
实施例1
[0369]
图23g(放大示出为图16)、图23h(放大示出为图17)和图23i(放大示出为图18)示出此实施例的合成后原样的碳纳米粒子的tem图像。碳纳米粒子包含连接的多壁球形富勒烯(mwsf)与涂覆连接的mwsf的石墨烯层。在此实施例中，由于共振时间相对较长从而允许更厚或更多的石墨烯层涂覆mwsf，多壁富勒烯与石墨烯同素异形体的比率为大约30％。此过程中未使用催化剂，因此，不存在包含污染物的中心种子。在此实施例中生产的合成后原样的聚集体粒子所具有的粒径为大约10μm至500μm。图23j示出来自此实施例的聚集体的拉曼光谱。在此实施例中，合成后原样的粒子的拉曼特征指示涂覆合成后原样的材料中的mwsf的较厚石墨烯层。此外，合成后原样的粒子所具有的布鲁诺、埃米特和特勒(bet)比表面积为大约90m2/g至100m2/g。
[0370]
实施例2
[0371]
图23k和图23l示出此实施例的碳纳米粒子的tem图像。具体地，图像描绘通过在球磨机中研磨进行尺寸缩减之后的碳纳米粒子。尺寸缩减过程条件与关于前述图23g至图23j描述的那些相同。在尺寸缩减之后，在此实施例中生产的聚集体粒子所具有的粒径为大约1μm至5μm。tem图像显示：在尺寸缩减之后，可观察到包埋在石墨烯涂层中的连接的mwsf。图23m示出在尺寸缩减之后在532nm入射光下取得的来自此实施例的聚集体的拉曼光谱。在此实施例中，尺寸缩减之后的聚集体粒子的i
d
/i
g
为大约1，这指示按合成后原样包埋在石墨烯涂层中的连接的mwsf在尺寸缩减之后变得可在拉曼光谱中检测到，并且是良序的。尺寸缩减之后的粒子所具有的布鲁诺、埃米特和特勒(bet)比表面积为大约90m2/g至100m2/g。
[0372]
实施例3
[0373]
图23n是碳聚集体的扫描电子显微镜(sem)图像，其以第一放大倍数示出石墨和石墨烯同素异形体。图23o是碳聚集体的sem图像，其以第二放大倍数示出石墨和石墨烯同素异形体。碳的畸变(皱纹)内清楚地示出层状石墨烯。碳同素异形体的3d结构也是可见的。
[0374]
图23p中示出图23n和图23o的碳粒子的粒径分布。质量基础累积粒径分布406对应于曲线图中左侧y轴(q3(x)[％])。质量粒径分布的直方图408对应于曲线图中的右侧轴(dq3(x)[％])。中值粒径为大约33μm。第10百分位数粒径为大约9μm，并且第90百分位数粒径为大约103μm。粒子的质量密度为大约10g/l。
[0375]
实施例4
[0376]
图23q中示出从多级反应器捕获的碳粒子的粒径分布。质量基础累积粒径分布414对应于曲线图中左侧y轴(q3(x)[％])。质量粒径分布的直方图416对应于曲线图中的右侧轴(dq3(x)[％])。捕获的中值粒径为大约11μm。第10百分位数粒径为大约3.5μm，并且第90百分位数粒径为大约21μm。图23q中的曲线图还示出对应于曲线图中左侧y轴(q0(x)[％])的数字基础累积粒径分布418。数量基础的中值粒径为大约0.1μm至大约0.2μm。收集的粒子的质量密度为大约22g/l。
[0377]
回到图23p的讨论，曲线图还示出第二组示例性结果。具体地，在此实施例中，通过机械研磨对粒子进行尺寸缩减，然后使用旋风分离器处理尺寸缩减的粒子。在此实施例中捕获的尺寸缩减的碳粒子的质量基础累积粒径分布410对应于曲线图中左侧y轴(q3(x)[％])。质量基础粒径分布的直方图412对应于曲线图中的右侧轴(dq3(x)[％])。在此实施例中捕获的尺寸缩减的碳粒子的中值粒径为大约6μm。第10百分位数粒径为1μm至2μm，并且第90百分位数粒径为10μm至20μm。
[0378]
关于制造和使用旋风分离器的更多细节可见于2017年10月5日提交的名称为“microwave reactor system with gas
‑
solids separation”的美国专利申请15/725,928，其全文特此以引用方式并入。
[0379]
使用微波反应器系统产生的高纯度碳同素异形体
[0380]
在一些情况下，可使用微波等离子体反应器系统使用前体材料产生包含石墨、石墨烯和无定形碳的碳粒子和聚集体，所述前体材料包含甲烷、或包含异丙醇(ipa)、或包含乙醇、或包含缩合烃(诸如己烷)。在一些其他示例中，含碳前体任选地与供应气体(诸如氩)混合。在此实施例中生产的粒子包含石墨、石墨烯、无定形碳且不含种子的粒子。此实施例中的粒子所具有的碳与除氢以外的其他元素的比率为大约99.5％或更高。
[0381]
在一个特定示例中，烃是微波等离子体反应器的输入材料，并且反应器的分离输出包括氢气和含有石墨、石墨烯和无定形碳的碳粒子。碳粒子在多级气固分离系统中与氢气分离。来自反应器的分离输出的固体负载为0.001g/l至2.5g/l。
[0382]
实施例5
[0383]
图23r、图23s和图23t是合成后原样的碳纳米粒子的tem图像。图像示出石墨、石墨烯和无定形碳同素异形体的示例。在图像中可清楚地看到石墨烯和其他碳材料的层。
[0384]
图4u中示出捕获的碳粒子的粒径分布。质量基础累积粒径分布420对应于曲线图中左侧y轴(q3(x)[％])。质量粒径分布的直方图422对应于曲线图中的右侧轴(dq3(x)[％])。在此实施例中在旋风分离器中捕获的中值粒径为大约14μm。第10百分位粒径为大约5μm，并且第90百分位粒径为大约28μm。图4u中的曲线图还示出对应于曲线图中左侧y轴(q0(x)[％])的质量基础累积粒径分布424。此实施例中的数量基础的中值粒径为大约0.1μm至大约0.2μm。
[0385]
实施例6
[0386]
图23v、图23w、和图23x和图23x是示出生长到其他三维结构上的三维含碳结构的图像。图23v是生长到碳纤维上的三维碳结构的100x放大，而图23w是生长到碳纤维上的三维碳结构的200x放大。图23x是生长到碳纤维上的三维碳结构的1601x放大。示出在纤维表面之上生长的三维碳。图23y是生长到碳纤维上的三维碳结构的10000x放大。所述图像描绘到基面以及端面上的生长。
[0387]
更具体地，图23v至图23y示出使用来自微波等离子体反应器的等离子体能量以及来自热反应器的热能生长到纤维上的3d碳材料的示例性sem图像。图23v示出交叉纤维431和纤维432的sem图像，其中3d碳材料430生长在纤维表面上。图23w是示出纤维432上的3d碳材料430的更高放大倍数图像(相较于图4v的500μm，比例尺为300μm)。图23x是示出纤维表面435上的3d碳材料430的进一步放大视图(比例尺为40μm)，其中可清楚地看到碳材料430的3d性质。图23y示出单独的碳的特写视图(比例尺为500nm)，其示出纤维432的基面与在纤维上生长的3d碳材料的许多亚微粒子的端面434之间的互连。图23v至图23y展示在3d纤维结构上生长3d碳(诸如在3d碳纤维上生长3d碳)的能力。
[0388]
纤维上的3d碳生长可通过将多根纤维引入微波等离子体反应器并在微波反应器中使用等离子体蚀刻纤维来实现。蚀刻产产生核位点，使得当通过反应器中的烃解离产生碳粒子和亚微粒子时，在这些成核位点处开始3d碳结构的生长。3d碳结构在纤维(纤维本身实质上是三维的)上的直接生长提供具有树脂可渗入其中的孔的高度集成的3d结构。与具有包括光滑表面并且这些光滑表面通常与树脂基体脱层的常规纤维的复合材料相比，这种用于树脂复合材料的3d增强基体(包括与高纵横比增强纤维集成的3d碳结构)可提高材料特性，诸如拉伸强度和剪切力。
[0389]
暴露碳表面的功能化
[0390]
碳材料，诸如本文所述的3d碳材料中的任一种或多种，可具有准备用于功能化(诸如促进粘附的功能化和/或添加元素(诸如氧、氮、碳、硅或硬化剂))的一个或多个暴露表面。功能化是指通过化学合成向混配物添加官能团。在材料科学中，功能化可用于实现期望表面特性；例如，官能团也可用于将功能性分子共价连接到化学装置的表面。碳材料可原位—即，在生产碳材料的同一反应器内现场—功能化。碳材料可在后处理中进行功能化。例
如，富勒烯或石墨烯的表面可用含氧或含氮物质功能化，这些物质与树脂基体的聚合物形成键合，从而提高粘附力并提供强结合以提高复合材料的强度。
[0391]
可利用本文所述的等离子体反应器(诸如微波等离子体反应器)对所公开碳基材料(诸如cnt、cno、石墨烯、3d碳材料诸如3d石墨烯)中的任一种或多种进行功能化表面处理。此类处理可包括在产生可与复合材料中的结合剂或聚合物组合的碳材料期间的原位表面处理，或在产生碳材料之后同时碳材料仍在反应器内时的表面处理。
[0392]
本公开的各方面也可描述为：
[0393]
1.一种轮胎，其包括：
[0394]
主体；以及
[0395]
围绕所述主体的多个层片，所述多个层片中的至少一些层片包括分布在所述至少一些层片中的相应层片的一个或多个部分中的数个碳基微结构，其中所述至少一些层片中的每个层片被配置来在一个或多个对应独特频率下共振。
[0396]
2.如权利要求1所述的轮胎，其中所述数个碳基微结构中的一个或多个包括多个三维(3d)聚集体，所述多个3d聚集体由石墨烯片形成并且耦接在一起以形成3d分层开放多孔结构。
[0397]
3.如权利要求2所述的轮胎，其中所述3d分层开放多孔结构包括中尺度结构。
[0398]
4.如权利要求2所述的轮胎，其中所述数个碳基微结构中的一个或多个还包括形成在所述3d分层开放多孔结构中的多孔布置。
[0399]
5.如权利要求2所述的轮胎，其中所述石墨烯片包括单层石墨烯(slg)、少层石墨烯(flg)或多层石墨烯(mlg)中的一者或多者。
[0400]
6.如权利要求1所述的轮胎，其还包括添加剂材料，所述添加剂材料被配置来修改所述多个层片中的所述至少一些层片的暴露表面的表面功能性。
[0401]
7.如权利要求1所述的轮胎，其中所述碳基微结构的一个或多个材料特性被配置来在所述碳基微结构的合成期间限定。
[0402]
8.如权利要求1所述的轮胎，其中所述数个碳基微结构中的每个碳基微结构都是自组装的。
[0403]
9.如权利要求1所述的轮胎，其中所述碳基微结构通过均相成核来成核。
[0404]
10.如权利要求1所述的轮胎，其中所述碳基微结构被配置来至少部分地通过蒸气流动流来生长。
[0405]
11.如权利要求10所述的轮胎，其中所述蒸气流动流被配置来至少部分地流动到等离子体附近。
[0406]
12.如权利要求11所述的轮胎，其中所述蒸气流动流在真空与基本上大气压之间的压力范围下流动。
[0407]
13.如权利要求1所述的轮胎，其中所述碳基微结构由碳基气态物质生长。
[0408]
14.如权利要求13所述的轮胎，其中所述碳基气态物质被配置来在非平衡条件下通过气固反应控制。
[0409]
15.如权利要求1所述的轮胎，其中所述数个碳基微结构中的一个或多个被配置来响应于来自收发器的ping而在独特频率下共振。
[0410]
16.如权利要求15所述的轮胎，其中所述收发器被配置来与胎压监测系统(tpms)
交互。
[0411]
17.如权利要求1所述的轮胎，其中所述数个碳基微结构被配置来与所述轮胎所经历的磨损程度成比例地衰减一个或多个共振信号。
[0412]
18.如权利要求17所述的轮胎，其中所衰减的共振信号中的相应一个的幅度指示所述磨损程度。
[0413]
19.如权利要求17所述的轮胎，其中所述至少一些层片中的每个层片被配置来通过响应于激励信号而共振来产生所述一个或多个共振信号中的相应共振信号。
[0414]
20.如权利要求1所述的轮胎，其中所述数个碳基微结构中的至少一个在一个或多个已知特征频率下共振。
[0415]
21.如权利要求20所述的轮胎，其中所述至少一个层片的厚度被配置来至少部分地衰减所述一个或多个已知特征频率的幅度。
[0416]
22.如权利要求21所述的轮胎，其中所述多个层片中的一个或多个层片被配置来在基于介电常数的变化移位远离所述一个或多个已知特征频率的频率下共振。
[0417]
23.一种轮胎，其包括：
[0418]
主体；以及
[0419]
胎面，所述胎面围绕所述主体并且包括多个层片，所述多个层片中的至少一些层片包括数个微结构，所述数个微结构被配置来在对所述多个层片中的相应层片来说独特的一个或多个频率下共振。
[0420]
24.如权利要求23所述的轮胎，其中所述微结构中的至少一个被成形为类似于以下中的任一者或多者：卵形、椭圆形、矩形、正方形、圆形、线或线组合。
[0421]
在上述说明书中，已经参考本公开的具体实施方式对本公开进行描述。然而，将显而易见的是：在不脱离如本公开的更宽广精神和范围的情况下，可对本公开做出各种修改和变化。例如，参考过程动作的排序来描述上述过程流程。然而，在不影响本公开的范围或操作的情况下，可改变许多所描述过程动作的排序。应在说明性意义而非限制性意义上看待本说明书和附图。