关键词： 聚合物基复合材料   纳米压痕技术   微结构   粘弹性   力学性能  

摘要： 聚合物基复合材料由于具有比强度高、比模量大、耐疲劳、耐腐蚀等优良的物理化学特性以及多功能性、结构易设计、易加工等优点,被广泛应用于各个领域。为了满足各个领域对材料越来越高的性能和结构的要求,从微观上设计、表征材料的结构和性能显得尤为重要。纳米压痕技术是一种测试材料微尺度力学性能的实验方法,该方法通过记录压痕过程中的载荷和深度的变化关系获得材料局部力学性能,可以实现对复合材料微结构的表征。近年来虽然纳米压入技术在实验方法,实验原理及仪器分辨率等方面有了明显的提高,但是对于高分子聚合物材料,尤其是粘弹性材料的微区力学性能的测试与应用仍然存在很多问题。本文围绕纳米压痕技术在橡塑材料中的应用进行了相关研究。复合材料的整体力学性能与组成相及界面的力学性能密切相关,本文利用纳米压痕技术对纳米颗粒增强的塑料、颗粒增强橡胶复合材料和并用胶各组成相及其界面进行细观力学性能表征,通过绘制同力学性能相对应的三维形貌图来建立复合材料微结构同宏观性能之间的关系。另外粘弹性会影响纳米压痕力学性能的测试结果,本文通过改变压痕实验中的测试条件,从微尺度研究了材料的粘弹性。具体的研究工作如下:(1)采用准静态和动态压痕技术研究了羟基磷灰石/聚乳酸(HA/PLA)复合材料在微尺度的表面力学性能。通过改变保载时间、卸载时间讨论了粘弹性对样品准静态力学性能的影响;在动态模式下探究了材料的动态力学性能;通过蠕变行为和划痕测试研究了复合材料的尺寸稳定性。结果表明准静态模式下只有当蠕变不充分时,加载条件会影响模量和硬度的测试结果;动态模式下存储模量和硬度随着压入深度的增加而减小。HA/PLA复合物的微区硬度曲线显示在相同载荷下,局部压痕塑性变形较小,表明HA提高了 PLA的力学性能。(2)利用纳米压痕技术表征钛酸铜钙/硅橡胶(CCTO/PDMS)复合材料的微结构信息,主要工作集中在利用超低载荷的压痕条件绘制同力学性能相对应的三维相貌图,从而反映微结构同宏观性能之间的关系,并分析不同粒径的CCTO对基体增强效果产生差异的原因。通过比较不同载荷绘制得到的模量图,得出5μN为最佳载荷。通过比较不同颗粒周围微区的模量变化曲线发现CCTO粒径小于1μm时,随着粒径的减小,基体微区模量增大,界面过渡区范围扩大,表现出模量均化现象,但粒径降低为300nm时,微区模量不再增加,表明颗粒增强效果与颗粒粒径有关。(3)利用纳米压痕技术对胶粉并用胶进行准静态和动态纳米压痕实验,通过改变准静态实验中的加载、保载、卸载时间,研究了时间速率对准静态力学性能的影响;在动态模式下探究了测试频率,动态载荷对动态力学性能的影响。综合考虑实验结果采用加载和卸载时间5s,保载20s作为准静态模式下的理想测试条件。动态压痕实验结果表明存储模量依赖于载荷的频率,胶粉含量越多,对测试频率的依赖性越明显;损耗因子随着频率的增加先增大后减小;相同频率下动态力越大,损耗角越大。通过测试不同胶粉含量的并用胶的微区力学性能发现随着胶粉含量的增加,微区内部胶粉分布密集,由于硫化不均形成的具有交联梯度的界面越多,材料在宏观力学性能上表现为拉伸强度随着胶粉含量的增多单调递减。

关键词： 光子晶体   模式分裂   高度反常色散   斐波那契准周期   透射光谱  

摘要： 无论是宇宙空间,还是大气、海洋,光在自然界中的传输特性一直以来都是人们普遍关心的物理现象。而在微观范畴,光子人工微结构的光传输特性则是光物理领域内的又一个基本研究问题,也吸引了人们长久的研究兴趣。近年来,从光学微腔到异质结构,从光栅到光波导,从光子晶体(Photonic Crystals)到特异材料(Metamaterials),人们将注意力放在各种具有特殊光传输特性的人工微结构上,实现了许多普通结构所没有的新功能。其中,光子晶体作为一种由不同折射率材料组成的周期性人工微结构在概念被提出后就引起了人们广泛的关注。出于应用的实际,人们往往还需要通过改变材料组分的方式来调控人工微结构的光传输特性,例如使用金属/介质复合的结构等。而高度色散材料,由于其具有不同于正常材料的色散变化程度,以及能够在正常色散与反常色散之间切换的特点,含有高度色散材料的人工微结构被发现可以实现巨大的场增强以及光的全向场局域等,因此对含有高度色散材料人工微结构的光传输特性的研究具有重要的意义。本论文采用传输矩阵方法、散射态方法等研究手段,主要研究了含高度色散材料人工微结构的光传输性质。论文的第二章中,我们对人工微结构的研究方法进行了基本的叙述。论文的第三章主要从理论上研究了由高度色散介质和正常材料的电介质组成的一维光子晶体微腔中的反常模式分裂。由于两种电介质中的传播相位随入射角的减小而减小,传统的全介质光子晶体中的正常分裂模式总是蓝移。基于反常色散材料和电介质之间的相位变化补偿,可以抵消色散的分裂模式,从而可以实现反常模式分裂。结果表明,反常分裂模式将在对可调谐高品质因数滤波器,角度无关传感器,非线性光学装置等有着重要应用。论文的第四章理论研究了包含有反常色散材料的一维斐波那契准周期光子晶体的光学性质。我们根据一系列的等式,对掺杂有不同量子点浓度的该反常色散材料中的介电常数的实部和虚部进行模拟。发现色散程度随着量子点掺杂浓度的增加而剧烈。并对其透射谱图进行研究,发现与正常材料的一维斐波那契准周期的光子晶体相比,其在原始带边衍生出了一些新的尖锐的带。此外,随着序数的增加,原始带边附近的新锐频带也随之增加。当入射角从0°增加到30°时,包含反常色散材料的一维斐波那契准周期光子晶体的透射光谱呈蓝移。由反常色散材料构成的一维斐波那契准周期的光子晶体具有非常广泛的用途,如制作微谐振腔、半导体激光器、超窄带滤波器等。

关键词： 抗磨钢铁   硬质相   力学性质   热学性质   第一性原理  

摘要： 强化相（硬质相）作为抗磨钢铁的重要组成部分,对抗磨钢铁的性能至关重要。由于抗磨钢铁中强化相的晶体结构和组成元素复杂、尺寸小,相关的物理化学性质数据很难定量获取,对多元强化相的结构与性质研究属于空白。造成无法针对性的进行强化相的选择与成分控制。因此,本文以目前先进的抗磨钢铁中典型的强化相为研究对象,采用第一性原理计算结合微观结构和性能表征方法,建立强化相模型,研究多元强化相的力学和热学性质。为建立抗磨钢铁中硬质相结构与性质数据库提供部分有价值的数据,从而为硬质相种类与性能的选择和调控提供部分指导,为提高已有抗磨钢铁材料性能、设计新型抗磨钢铁材料奠定基础。本论文的研究内容与结果如下:（1）实验表征了Fe-12Cr-4.5C过共晶高铬铸铁中M7C3型碳化物为六方结构,晶胞参数为a=b=13.842 A,c=4.495 A,α=β=90°,y=120°,原子比Fe:Cr=4.9:2.1。强酸萃取得到的W6高速钢中碳化物以M6C为主,并含有V8C7和M23C6,采用电子探针微区分析得到M6C的化学计量比为Fe2.39W1.14Mo1.57Cr0.54V0.36C1.09;W18中碳化物以M6C为主,化学计量比为Fe3.01W2.33Cr0.38V0.28C1.06。相关数据作为理论计算建模的基础与实验依据。（2）根据强化相的形成演化规律,Fe-C相为钢铁中最原始的强化相。Fe-C相韧性好,力学性质整体上随碳含量升高而提高。θ-Fe3C的各向异性很强,高温下ε-Fe2C体积热膨胀系数最大,达到4.5×10-5/K。（3）B或W掺杂能提高正交结构Cr7C3型多元碳化物的热膨胀系数,达到5×10-5/K。B的掺杂能改善六方结构Cr7C3型多元碳化物的抗氧化性。Mo、W以及W+B共掺可以提高h-Cr7C3型多元碳化物的韧性。Cr3Fe3Mo0.5W0.5C2B同时具有好的力学性能和高热膨胀系数,达到8× 10-5/K,与钢铁基体热膨胀匹配。（4）VC1-x相中有序碳空位浓度低于16.7%时,稳定性加强,但使力学模量退化。VC0.875本征硬度最大,但与VC相比,其高温力学性质差。VC、VC0.875和VC0.750的杨氏模量沿主轴取得最大值。VC0.875的热膨胀系数高温下达到2.8×10-5 K-1。（5）对于三元Fe6-xMxC（M=W/Mo）相,当原子比Fe/（Fe+M）大于50%后,弹性模量急剧下降。Fe2 W4C和Fe3Mo3C的高温力学性质优于Fe2Mo4C和Fe3W3C。Fe2Mo4C和Fe3W3C的热膨胀系数达到0.6×10-5/K。对于四元（Fe,W,Mo）6C相,当原子比16.7%＜Fe/（Fe+Mo+W）＜50%时,整体化学键合作用强,能够获得较高的弹性模量和熔点。（6）通过实验验证了钨掺杂能提高过共晶高铬铸铁中初生碳化物断裂韧性。纳米压痕测试表明M7C3初生碳化物横截面的杨氏模量和硬度略大于纵截面的杨氏模量和硬度,与计算结果相符。采用NanoBlitz 3D方法,得到W6和W18高速钢的杨氏模量和硬度的二维分布和沿x轴方向的统计值,并与计算值对比,分析了差异的原因。说明本文采用计算方法的合理性,预测的结果有助于强化相调控与新型抗磨钢铁材料设计。

关键词： 超亲-超疏水   微图案   纳微米多级结构   电化学沉积   磷酸八钙   丝素蛋白  

摘要： 随着再生医学的发展,细胞和生物材料所建仿生微环境的相互作用成为一个非常重要的研究领域,相关的研究成果有助于为智能化组织仿生材料的设计和制备提供理论基础,而如何有效地引导和控制细胞在材料表面的生长行为是一个关键性的问题。随着微电子技术的发展,微图案化生物材料引起了研究者极大的研究兴趣,通过对材料表面作精细加工或修饰使其具有差异性的微观特征,从而有效引导和控制细胞生长行为,将细胞规约在限定的空间位置上形成细胞微图案,使细胞呈现特定排列以及功能。细胞图案化技术在生物传感器,药物筛选,细胞基础生物学以及组织工程等领域有着广泛的应用。在大多数关于细胞图案化的研究中,细胞通常被固定在单一尺度的微米图案或纳米图案中,对材料微区域中微纳结构的设计研究较少。但是大量研究表明材料的微纳结构对细胞的黏附和生长具有十分重要的作用。向大自然学习,经过亿万年的进化与选择,自然界中存在着无数具有特殊纳微多级结构的生物体,并且这种独特的结构也赋予生物体特殊的功能和特性。因此,在生物材料基底上构筑具有特殊仿生纳微结构的微图案具有重要的科学价值。本论文结合阳极氧化技术、分子自组装技术以及选区光照技术,在金属钛表面制备超亲-超疏水微图案模板。利用超亲-超疏水微图案模板表面具有显著浸润性差异的特性,基于仿生学的观点,侧重发展电化学沉积技术,构筑了具有纳微米多级结构的磷酸八钙/丝素蛋白（OCP/SF）复合微图案膜层材料以及多孔OCP微图案膜层材料,探索微图案化生物材料微观结构、组分设计的可能性,以期实现对微图案化基底材料化学组分和微观结构的可控制备。此外,通过体外细胞培养实验,研究制备的微图案膜层材料表面组分、微观结构及其空间分布对细胞生长行为的引导和控制作用,实现细胞微图案的有效构筑,为细胞生物学研究提供一个有力的技术平台。主要研究结果如下:（1）运用阳极氧化技术、分子自组装技术和选区光照技术在医用金属钛表面构筑超亲-超疏水的微图案模板,通过光掩模板控制超亲-超疏水的微图案的尺寸、形状和空间排布等性质,并对超亲-超疏水模板的物理化学性质进行表征,探索模板形成机理。（2）基于超亲-超疏水微图案模板,运用电化学沉积技术,构筑具有纳微米多级结构的磷酸八钙/丝素蛋白（OCP/SF）复合微图案膜层材料以及单一尺度多孔OCP微图案膜层材料。通过调整超亲超疏水微图案的尺寸能够精确地控制OCP/SF复合微图案和OCP微图案的尺寸。研究发现,SF的加入使得OCP晶体的尺寸从200 nm细化至25nm左右,显著提升了微图案涂层的比表面积。此外,还系统考察了制备过程中各种试验参数对微图案膜层理化性质以及浸润性的影响。（3）采用细胞体外培养实验评价OCP/SF复合微图案化生物膜层和OCP微图案化生物膜层对细胞生长行为的引导和控制作用。实验结果表明,制备的OCP/SF和OCP两种微图案化生物膜层都可以控制前成骨细胞选区粘附生长在特定区域,形成细胞微图案。OCP/SF复合微图案膜层由于具有仿生纳微结构和化学组分,因此可显著增强前成骨细胞的粘附与生长,其生物相容性优于多孔OCP微图案膜层。

关键词： 铁电材料   相场法   电夹杂模型   巨电卡效应   等效热应力  

摘要： 铁电材料以其固有的耗能低和响应快等特点,被广泛应用于微型功能元器件的制备并成为热点研究对象。然而,铁电材料多为脆性材料,在制备过程中难免会产生微裂纹或夹杂等缺陷。这些缺陷的存在破坏了结构的几何或物理连续性,在外加机-电载荷作用下,在非连续区附近将产生局部的应力集中和电场集中,从而引起缺陷附近的电畴结构发生翻转,即畴变。畴变现象会改变缺陷附近的电场分布,产生内应力,从而导致铁电材料表现出非线性的机-电响应特性。本文基于相场理论,结合理论推导与数值模拟方法,针对含单一缺陷和含多个缺陷的铁电材料,研究了在多场载荷作用下缺陷附近的微结构演化及其效应。论文的主要工作如下:第一章简述了有关含缺陷铁电材料微结构演化的国内外研究现状,并指出了需要进一步研究的问题。第二章基于广义微力的控制方程和物理背景,从热力学原理的基本假定出发,给出了Ginzburg–Landau相场动力学方程形式的完整推导过程,并结合Landau-Devonshire给出了铁电电焓能量形式,给出了基于相场理论的铁电本构方程的形式。同时,在铁电模型的基础上推导了表示铁电电卡效应的绝热温变方程,给出了现有的绝热温变方程在铁电材料中的许用条件。第三章提出了“电夹杂”模型,研究了铁电材料内缺陷与微结构之间的相互作用,给出了不同电夹杂模型下的电滞回线。同时讨论了在给定机电载荷作用下不同电夹杂模型的铁电材料在不同温度环境下的畴结构演化及其对应力场的影响。第四章分别讨论了含空气、硅油和水三种电介质夹杂的铁电模型在外加电场作用下,经温度诱导产生的巨电卡效应,给出了含缺陷铁电模型产生巨电卡效应这种宏观现象的微结构演化过程。第五章至第七章主要考虑不同温度环境下,含单一传导裂纹、多个传导裂纹和多个电极的铁电材料微结构演化及其对裂尖应力场的影响。通过对环境温度的调控,实现了在给定机电外载作用下缺陷尖端的应力集中程度减弱的目标,为铁电元器件的结构安全设计和健康预测提供理论基础。第八章对全文做了总结和展望,归纳出本文具有如下几个创新点:（1）从热力学原理的基本假定出发,对基于广义微力的铁电本构方程进行了完善。同时,在铁电模型的基础上推导出绝热温变方程,给出了现有的绝热温变方程在铁电材料下的许用条件。（2）针对含裂纹的铁电材料在机电载荷作用下,裂纹内的电场强度急剧增加的物理现象,提出了“电夹杂”模型,研究了“电夹杂”与微结构演化之间的相互作用,给出了不同电夹杂模型的电滞回线,建立了通过控制电夹杂的介电常数来提高材料性能或防止材料性能退化的方法。（3）首次模拟了含缺陷的铁电模型在电场作用下,经温度诱导产生的多畴结构向单畴结构转化而导致的铁电巨电卡效应。结合相场法的模拟结果,给出了含缺陷铁电模型产生巨电卡效应这种宏观现象的微观物理机制。并提出了可以通过有效的调控铁电材料内部缺陷的介电常数和外加电场强度增量,实现在室温与低电场条件下产生巨电卡效应和大的电卡效率的方法。（4）在温度环境的影响下,分别研究了含单传导裂纹铁电模型、多传导裂纹铁电模型和多电极铁电模型在机电载荷下的微结构演化及其对裂尖应力场分布的影响。提出将温度的调控作为一种等效热应力作用于铁电模型中,从而可通过调节合适的温度使裂尖的应力场集中程度降低,为铁电元器件的结构安全设计和健康预测提供理论基础。

关键词： 密度泛函理论   镍基合金   碳原子   碳化物   碳化物-镍界面   抗辐照性能  

摘要： 考虑到人类社会发展对能源需求的不断增长以及在低碳节能减排方面的客观要求,核能作为具有经济性高、安全性强、零排放有害气体等优点的清洁能源受到了越来越多的关注。熔盐堆是第四代核能系统代表堆型之一。我国在2011年启动了中国科学院战略性先导科技专项《未来先进核裂变能—钍基熔盐堆核能系统》（TMSR）以推动第四代先进核能的发展。镍基合金具有优异的高温力学性能及耐熔盐腐蚀性能,是目前熔盐堆的首选结构材料。然而,在强中子辐照环境中,镍原子会发生（n,α）嬗变反应产生大量氦原子,最终导致材料肿胀、脆化等,降低合金的高温蠕变性能和强度,导致其服役寿命缩短。因此,提高镍基合金的抗辐照性能是保证熔盐堆顺利发展的关键之一。通过改善现有合金成分、工艺等来调整其微观结构可以提升镍基合金的抗辐照性能,是目前实验上优化材料抗辐照性能的主要方向之一。本论文基于第一性原理计算方法,从理论上探索了镍基合金中不同类型的微观结构的稳定性,进而研究其优化材料抗辐照性能的相关机制,为理解镍基合金的辐照行为提供理论依据,进而发展新合金提高理论指导。具体研究内容与结论如下:针对分别掺杂有3d、4d和5d过渡态金属的镍基合金中碳行为的研究表明,相对于掺杂原子的第一近邻的碳原子表现出被排斥的情况,铬却显示出对碳原子有明显的吸引作用。本论文的研究结果进一步指出:碳-金属相互作用的微观机制与体系的局部应力和成键情况密切相关。我们的模拟研究还发现空位的引入会改变其周围局部应力和电荷密度排布,并对结合能的变化规律产生影响。关于碳、氮和氧原子及其与空位形成的复合结构对氦行为的影响和微观机理研究是论文重要的内容之一。模拟研究系统分析了引入碳、氮或氧原子后,镍体相中氦原子在不同间隙位条件下的稳定性变化趋势及其微观机制,并指出氦原子在镍-氧体系中结合能明显降低和改变相对稳定性的主要原因与掺杂原子带来的局部应力和氦与碳/氮/氧形成的共价键的强弱性质相关;研究结果揭示了碳、氮和氧原子能够有效地阻碍氦原子在镍体相扩散的主要因素是掺杂原子增大了氦原子远离碳/氮/氧扩散的势垒。碳、氮和氧会排斥比较大的团簇,意味着这些原子有抑制氦原子聚集和氦泡长大的潜能。本论文对碳化钛及碳化钛-镍界面对氦的吸附行为的研究,试图从理论上预测在镍基合金中弥散碳化钛能否提高其抗氦脆能力。研究指出镍中碳化钛的形核过程是个放热反应。研究结果揭示,镍中碳化钛对氦的吸引能力比单纯碳原子或者单纯氦原子明显强且作用范围变大;碳化钛团簇吸附氦的能力和作用范围随着团簇的增大而增大。最后,本研究工作发现氦在碳化物-镍界面处的结合能比镍、碳化钛体相和镍晶界都小,说明界面能吸附氦并阻止其向晶界扩散。

关键词： 水翼   空化抑制   回射流   射流位置   射流角度   水动力性能  

摘要： 空化是造成水力机械性能下降、系统振动、噪声和叶片表面空蚀的重要原因,而水力机械一般具有较复杂的结构和较高的旋转速度,实验和数值模拟均不易对空化的发生和演化的机制进行细致的研究,因此针对绕水翼空化问题的研究可以帮助更好的理解发生在水力机械中的空化问题,探寻改善或抑制云空化的手段方法,进而提高水力机械的性能。本文围绕NACA0066水翼的空化问题,探究在水翼表面布置射流水孔抑制空化的效果。文章在比较优选的基础上验证了密度修正的RNG k-ε湍流模型结合Singhal et al.全空化模型在空化计算上的准确性,模拟准确地预测了空泡脱落频率和空化体周期性演化形态。然后采用选定的模型对绕水翼空化的频谱特性进行研究,发现当水翼攻角为6°时,随空化数升高,空腔振荡频率逐渐降低,在云状空化阶段,表征空腔不稳定性的功率谱密度较高;在云空化和片空化的过渡阶段,出现功率谱密度的突然跃升,当空化形态为片空化时,功率谱密度逐渐降低。当水翼攻角为8°和10°时,在云状空化阶段,空腔振荡频率基本不随空化数的变化而改变,其斯特劳哈尔数(St)均稳定在0.21附近;在云空化和片空化的过渡阶段(σ/2α=3.5附近),同样出现功率谱密度的突然跃升。在此基础上,着重研究二维水翼射流水孔布置位置,射流出射角度与空化抑制效果和水翼水动力性能之间相互作用的规律。对6°攻角和8°攻角水翼在不同空化工况下注入射流的研究表明:最佳射流位置仅与水翼的攻角有关,该位置位于相应攻角下水翼上弧线的顶点。射流角度是影响空化抑制效果的又一重要因素。研究发现,当射流方向逆来流方向,并与来流呈155°夹角时,空化抑制效果较为明显,同时对水翼动力特性也有一定程度的提升。文章还初步分析了注入射流抑制空化的机理:在合适位置以适当的角度注入射流,相当于给边界层注入能量,射流的注入同时改变了水翼表面的压力分布,水翼尾缘逆压梯度明显减小,进一步减弱了回射流漩涡形成的动力,空化得以有效抑制。基于二维水翼的模拟结果,文章研究了三维水翼翼展方向孔隙率φ对空化的抑制效果,从空化体的周期演化形态,回射流的运动特性,水翼的动力特性等多角度揭示了射流的引入对水翼空化流场的影响。在最佳射流位置(x=0.25c),单排射流水孔翼展方向的孔隙率不宜超过58.92%,过高的射流孔隙率会造成水翼动力性能明显下降。

关键词： CS微球   CS/nHA复合微球   微结构调控   吸附性能   载药缓释性能  

摘要： 壳聚糖(Chitosan,CS)是一种带正电荷、天然的生物可降解多糖,具有无毒、抗菌、抗氧化、增强凝胶、羟吸附性、抗肿瘤、无致突变效应等特征,已被广泛应用于生物医学、食品、化工及污水治理等方面。其中,利用壳聚糖特殊的物理、化学及生物特性与其它无机材料杂化复合制备新型的复合材料是近年来国内外研究的热点。本研究论文采用乳化-交联法,分别制备了CS微球、壳聚糖/纳米羟基磷灰石复合微球,系统地考察了不同的制备条件对产物微结构的影响,实现了微球的结构调控。在此前提下,比较研究了两种微球的吸附性能及作为药物载体的载药缓释性能。全文共分以下五个部分:第一章:绪论。本文在介绍CS和羟基磷灰石结构与性质的前提上,介绍了CS微球的制备方法,并对基于CS及其复合微球的研究现状、存在的问题及应用进展进行了论述。第二章:壳聚糖微球的制备及微结构调控。利用乳化-交联法制备壳聚糖微球,系统探究了搅拌速度,p H值,水浴温度,交联剂的用量,油水体积比等条件对CS微球的微结构及形貌的影响,制备了规整性、均一性、分散性较好的CS微球。第三章:壳聚糖/纳米羟基磷灰石复合微球的制备及微结构分析。利用制备的纳米羟基磷灰石,采取反相-乳化交联法,探究了不同比例、不同工艺条件对CS/n HA杂化复合微球形成的影响,制备了比表面积较大,均一性与分散性都较好的CS/n HA杂化复合微球。第四章:壳聚糖及其复合微球的吸附性能研究。以苯酚模拟废水为吸附对象,比较研究了CS微球和CS/n HA复合微球的吸附性能,并利用吸附动力学理论和热力学理论对其吸附机理进行了分析,同时探讨了微球微结构与性能之间的关系。第五章:壳聚糖及其复合微球的载药缓释性能。以诺氟沙星为载药模型,考察了CS微球、CS/n HA复合微球的载药性能,在此基础上,比较研究了载药微球在水和生理盐水不同环境下的缓释性能,研究证明了CS/n HA复合微球对比CS微球具有较好的稳定性和载药缓释性能,可以应用到生物医学领域。

关键词： 偏振特性   散射特性   人工微结构材料   激光照明  

摘要： 目标散射特性的研究是材质识别和探测的基础,对于低反射人工微结构材料,根据双向反射分布函数(BRDF)和偏振度的基本理论,建立散射特性的研究方案,并搭建了人工微结构材料在激光照明条件下的测量系统。本文选用黑硅和黑金属铝为被测材料,测量了材料表面散射光的散射场分布和偏振特性,同时又分析了不同微结构产生偏振波动的机理,从而实现对黑硅和黑金属铝的鉴别和区分。本文结果表明,微结构材料表面散射光的散射场分布虽然与随机粗糙表面的散射场分布有较大的不同,其BRDF值随着测量参量的变化而变化,但不同的微结构材料的散射场分布相似,且反射值较低。反之,对于不同的微结构材料表面散射光的偏振能力在数值和分布上均具有明显的差异性。散射光的偏振曲线随着入射角和接收角的改变而产生变化,同时出现波峰和波谷,其幅度存在差别,并且黑金属铝的偏振能力强于黑硅,表现两种微结构材料的差异性。本文结果为人工微结构材料的探测与识别研究提供一定的理论和实验依据,同时也可对人工微结构材料在隐身、探测等领域中的应用提供一定参考。

关键词： ZnO   热电   固溶度   织构   纳微复合   C掺杂  

摘要： 热电材料在废热发电、空调及冰箱制冷等领域具有广阔的应用前景,近年来受到了越来越大的关注。氧化物热电材料具有抗氧化、耐高温、并且无污染、无毒性、制备工艺简单等特点,在中高温热电应用领域具有很大的应用潜力。本论文着眼于n型氧化锌(ZnO)热电材料,采用固相反应法(SSR)和水热合成(HS)法制备化合物前驱粉体,采用放电等离子烧结法(SPS)制备多晶块体材料,并通过Al、Ni、Ga等元素掺杂改性优化载流子浓度,通过织构化与纳微复合结构化设计优化载流子迁移率、降低热导率,达到优化ZnO热电性能目的。在不同的烧结温度1173-1323K的条件下,通过SSR结合SPS技术制备了致密并且晶粒较小的Zn0.96Al0.04O块体材料。随着烧结温度的增加,ZnAl2O4第二相含量逐渐增加。1223K时烧结样品在823K时取得最大功率因子4.01×10Wm-1K-2。1173K时烧结样品因其较小的晶粒尺寸及ZnAl2O4第二相的偏析,在773K时取得较低热导率2.42Wm-1K-1及最优ZT值0.11。通过HS和SPS技术制备了织构化Al掺杂ZnAlxO(x=0,0.01,0.02,0.04)块体。块体样品获得了～0.6的织构度,因水热过程中高的PH值8.5-9.0,A13+的固溶度较低,同时并未检测到ZnAl2O4第二相。织构样品容易获得较高的电子迁移率,随着测试温度由373K增加至573K, Zn0.96Al0.04O样品的电导率由68.2Scm-1增加至749.2Scm-1。最终,Zn0.96Al0.04O样品在573K时取得最.大功率因子4.7x 10Wm-1K-2。通过HS和SPS技术制备了织构化Al、Ni共掺杂Zn0.98-xAl0.02NixO(x=0,0.01,0.02,0.03,0.04)块体。共掺杂的Ni2+在水热过程中更易进入ZnO晶胞间隙位置并膨胀晶胞,导致粉体及块体中A13+固溶度大幅度提升,并获得较高的载流子浓度～1×1020cm-3。高的A13+固溶度及高的迁移率导致Zn0.97Al0.02Ni0.01O样品在673K时取得最大功率因子6.16×10Wm-1K-2,并在773K时取得最优ZT值0.057。通过HS和SPS技术制备了纳微复合结构的ZnGaxO(x=0,0.01,0.02,0.04)块体。样品获得了较高的Ga3+固溶度,还获得较高的载流子迁移率。x=0.01样品,在773K时取得最大功率因子7.52x10Wm-1K-2。粉体纳微复合结构在块体中的被保持,样品获得了较小的晶粒,增加了声子的散射,减小了热导率。x=0.04样品,773K时取得最低热导率5.15Wm-1K-1。x=0.02样品,773K时取得最大ZT值0.067。通过HS和SPS技术制备了纳微复合结构的ZnAlxO(x=0,0.02,0.03,0.04)块体。纳微复合结构样品因存在纳米共格晶界导致其获得较高的载流子迁移率的同时降低热导率。x=0.02样品常温下获得了最高的载流子迁移率50.7cm2V-1s-1和载流子浓度1.5×1020cm-3,该样品的载流子迁移率已接近单晶的迁移率。x=0.04样品在1073K时取得最低热导率1.60Wm-1K-1。x=0.02样品在1073K时取得最优ZT值0.36。通过HS和SPS技术制备了C掺杂ZnO热电陶瓷。作为C源的TEA在SPS过程中,电离出C和Cx-,进入ZnO晶胞。相比于未掺杂ZnO样品,C掺杂ZnO样品的可见光光吸收增加,禁带宽度减小,功率因子提升约1.5倍。