关键词： 木质纤维素纳米原纤维   绿色纳米技术   微结构设计   吸附   光催化氧化   四环素  

摘要： 近年来,随着地球化石资源的日益枯竭以及人类可持续发展的迫切需求,利用木质纤维素生物质资源制备高附加值的功能材料已经成为研究热点。木质纤维素纳米纤维(LCNF)是一种新型纳米纤维素材料,具有独特的物理结构和可生物降解性及可再生性,在水净化领域中展现出独特的优势。以LCNF为原材料制备的气凝胶有着高比表面积、多孔多层次等特点使其具有优异和稳定的吸附性能,此外还可以作为功能性小分子材料的良性载体,进行以功能为导向的理化改性,从而进一步增强其在废水治理领域的应用价值。本文以天然可再生甘蔗渣为原料,利用绿色低共熔溶剂(DES)体系进行功能化处理,制备了阴离子化木质纤维素纳米纤维吸附剂,探究了阴离子化木质纤维素纳米纤维吸附剂对四环素(TC)的吸附效果、影响因素及相关吸附机制;基于阴离子化木质纤维素纳米纤维,构建了木质纤维素基纳米TiO复合气凝胶,探究了其对TC的降解效果、降解路径及相关机理。主要研究结果如下:(1)利用氨基磺酸和尿素构建的DES体系处理甘蔗渣,制备硫酸酯化木质纤维素纳米纤丝(SLCNF)吸附剂,分析了SLCNF吸附剂的微观结构、化学组分和结构、电荷密度、物相结构、SLCNF吸附TC相关机理等。研究表明:DES体系破坏木质纤维素组分之间的氢键相互作用,同时引入带负电荷的硫酸酯基团,从而促进甘蔗渣纤维的微纤化过程,再通过温和机械处理可制备的尺寸均一、细小的SLCNF,其平均直径为5.49±1.48 nm,表面电荷为1.78 mmol/g,是比较理想的阴离子型吸附剂,吸附容量可达162 mg/g,SLCNF吸附TC符合准二级动力学、Langmuir等温模型,吸附的机理主要是:SLCNF与TC间的静电引力、π-π堆积、氢键作用。(2)以EPI作为交联剂,在SLCNF之间建立共价交联,制备了交联气凝胶(C-SLCNF),系统的分析了其微观形貌、化学结构、机械性能、水稳定性、机械性能以及比表面积等;基于C-SLCNF气凝胶的三维网络结构和高吸附性能,进一步对其进行功能化设计,原位负载TiO纳米粒子(TNPs)光催化剂,进而组装成木质纤维素基纳米TiO复合气凝胶(C-SLCNF-TNPs)吸附降解体系。利用FE-SEM、FT-IR、XPS、XRD、万能材料试验机、水稳定性实验、N吸附-解析等温线、UV-Vis漫反射光谱和Kubelka-Munk光谱、荧光光谱仪、电化学工作站等分析C-SLCNF-TNPs的微结构特征(微观形貌、化学结构、表面能)以及宏观性能(光响应性能、机械性能、水稳性、电化学特性等)。研究表明:纳米纤维之间的共价交联赋予了气凝胶良好的结构稳定性,C-SLCNF气凝胶展现出独特的3D多孔结构,为功能性材料的负载提供了丰富的位点;TNPs成功嵌入C-SLCNF气凝胶中,且不影响其3D多孔纳米结构,以及其表面的功能性基团;C-SLCNF-TNPs气凝胶具有较高的压缩模量和应力,分别为1.40 MPa和182 k Pa,具有良好的抗压缩、抗溶胀性能,具有比商业TNPs更强的紫外线吸收能力。另外,C-SLCNF-TNPs气凝胶的带隙能较低,说明其更容易产生电子空穴,复合气凝胶还具有较好的光生e-h对分离和转移效率,从而具有较好的光催化活性。从吸附降解实验得出:均匀分布的TNPs的良好光催化活性联同C-SLCNF-TNPs气凝胶良好的吸附能力,可在动态连续过程中协同去除TC,在40 min内可有效去除水中约90%的四环素。C-SLCNF-TNPs气凝胶在重复使用5次后,对四环素的去除效率仅从94.9%略微下降到89.5%,具有良好的结构稳定性和可重复使用性。C-SLCNF-TNPs气凝胶对抗生素去除具有一定的普适性。(3)提出了C-SLCNF-TNPs气凝胶吸附-光催化协同降解TC的反应机理,复合气凝胶通过大比表面积、静电作用、π-π堆积和氢键作用实现对TC的吸附富集,然后TNPs受光激发产生h和e并进一步转化为.OH和.O协同h实现对TC的降解。提出了TC的可能降解路线,主要涉及脱水、去甲基化、脱氨基、开环、氧化等多级过程,最终矿化为CO、HO、NH等。

关键词： 显微结构   ZIF-67衍生纳米复合材料   碳纳米纤维   核壳结构   电磁波吸收  

摘要： 科学技术的飞速发展使得各种电子设备在人们的日常生活中发挥着不可替代的作用。然而，电磁波污染也在影响着我们的身体健康。解决电磁波的污染问题是人类迫切需要解决的问题，电磁波隐身技术是军事装备规避探测和攻击的关键解决方案。因此在军事设备上面涂覆电磁波吸收材料也是一种重要的方法，因此制备出高性能的电磁波吸收材料迫在眉睫。MOF材料具有结构调控性，可以制备出多种结构，例如，核壳结构、空心结构和三维层状结构。一方面，这些结构的界面空位调节其高的复介电常数，并起到极化中心的作用;另一方面，其多孔或空心微结构可诱导更多的自由空间和界面，促进入射电磁波的多重反射行为，可有效降低介电常数，增强损耗能力，改善阻抗匹配。因此本论文利用由ZIF-67衍生的纳米复合材料来调控电磁波吸收性能。　　首先，本论文首先探究不同溶剂，不同钴源合成ZIF-67的工艺手段，最终在溶剂为甲醇和钴源为硝酸钴的条件下获得颗粒均匀的正十二面体ZIF-67结构，颗粒直径500nm。并在不同温度下煅烧合成了具有多孔结构的Co/C纳米复合材料，其中Co/C-500在14.95GHz、厚度为1.66mm时的最大吸收带宽为-54.37dB，厚度为2.0mm时的有效吸收带宽(RL≤-10dB)为6.95GHz(8.416-15.354GHz)。　　第二，本论文成功制备了具有核壳结构的CoNi/C纳米复合材料，通过调控Ni离子复合的比例进而调控复合材料的组织形貌，获得颗粒直径为1μm左右的双氢氧化物结构。将已经制备的核壳结构的CoNi/C纳米复合材料进行电磁波吸收的分析，其中经过600℃煅烧后具有最为优异的吸波性能，其最大反射损耗-72dB，有效吸收带宽为5.58GHz，并且样品与石蜡混合的填充比例为20%。　　最后，本论文通过溶剂热法制备出CNFs@ZIF-67结构，并在该材料表面包覆硝酸镍，合成出CNFs@CoNi-LDH的结构。CNFs通过衍生的碳质CoNi/C骨架穿透，该骨架保留了ZIF-67的尺寸，得到的是项链状的网络结构。通过对比实验得出，复合材料中CNFs掺杂比例为0.0373g，煅烧温度为600℃时候具有最为优异的性能。在11.21GHz下获得了-70dB的最佳反射损耗，相应的-10dB以下实现有效吸收的带宽为4.65GHz，对应的厚度范围为1.25mm。因此能够实现强度高，频带宽和低密度的吸波材料属性。

关键词： 磁控溅射   载流摩擦   孪晶   EBSD   FIB  

摘要： Ag、Cu等金属因良好的电学和摩擦学性能广泛用作电接触材料。电接触零件的摩擦磨损问题比单纯的机械磨损问题更为复杂,电接触表面磨损造成的电接触零件的失效,会降低整个电气系统的可靠性和寿命,带来严重的后果和巨大的损失。因此,设计和应用具有优异载流摩擦学性能的金属Ag、Cu等涂层材料是解决电接触零件表面摩擦磨损问题的有效手段。磁控溅射是一种绿色、高效、可靠的薄膜材料制备方法,广泛应用于制备各类功能膜材料。本文采用磁控溅射方法制备了纯金属Ag、Cu等膜材料,并通过导电脂润滑条件下的载流摩擦实验测试了其电学和摩擦学性能,研究了载流摩擦前后金属膜的晶体结构及其微结构的组织演变规律,进而阐释磁控溅射Ag、Cu等金属膜材料的载流摩擦学机理,具体研究内容如下:(1)研究了磁控溅射制备的纯Al膜,发现Al膜具有典型晶体结构,晶粒粒度为微米级。以载流摩擦实验获得的典型的Al膜的磨斑为研究对象,结果发现Al膜磨穿露出Cu基片,Al膜摩擦学性能不理想。对比研究了原始磁控溅射Al膜和残存的Al摩擦膜,发现晶粒取向明显变化,由(100)或(110)晶面族取向转变为(111)晶面族择优取向;平均晶粒度有变小的趋势。(2)磁控溅射制备的Ag膜具有典型柱状生长的晶粒结构,粒度达到纳米级,多数晶粒沿(111)择优取向生长。在Ag膜的载流摩擦实验磨斑表面发现了犁沟、微孔、塑性流动及剥落等形貌,且在塑性微孔中发现导电润滑脂成份,导电润滑脂填充磨斑微孔提升了 Ag膜的电学性能。(3)本文首次采用FIB纳米制样技术,制备了 Ag膜的磨斑的微组织试样,结合SEM-EBSD、TEM等表征分析手段研究了磨斑的近表面界面晶体学行为。在Ag膜的磨斑的微组织中发现了摩擦致晶粒细化现象,观测到了高密度的纳米孪晶Ag结构,并发现孪晶界存在{111}晶面族层错。结果表明,摩擦致晶粒细化提升了 Ag膜的强度和耐磨性,高密度孪晶夹杂非孪晶的微结构形式,有利于材料内部的滑移,也是Ag膜耐磨的重要原因。(4)磁控溅射制备了具有纳米晶体结构的Cu膜,晶粒粒度细小,膜-基结合紧密。Cu膜的磨斑表面多见沿滑动摩擦方向的犁沟形貌,并在犁沟中发现碳元素的富集,说明这种磨斑形貌有利于导电润滑脂导电作用的发挥,因而有利于Cu膜电学性能的提升。在Cu膜的磨斑FIB原位切割试样中发现了摩擦致晶粒细化的趋势。此外,在Cu膜的磨斑微组织中发现了 GP区、孪晶区,还发现了摩擦诱导的GP区向堆垛层错组织演变的趋势。研究表明,细晶强化作用、GP区和孪晶区等纳米结构的强化机制,提升了 Cu膜的摩擦学性能。GP区、孪晶区等纳米级的微结构对Cu膜的电学性能影响极小。(5)对比研究了磁控溅射Ag、Cu和Al膜的晶体结构及摩擦致晶体学变化行为,研究结果表明,Ag膜和Cu膜具有典型的纳米晶体结构,Cu膜的成膜颗粒更细小。Ag膜的电学和摩擦学性能最好,Cu膜与Ag.膜性能极为接近且成本更低,实际应用中可替代Ag膜用作电接触涂层。通过对比三种金属膜的磨斑上不同变形区域与原始金属膜间的晶粒度、晶粒形态变形方式、位错密度等晶体学特征,利用霍尔-佩奇关系和培莱-赫许关系推导计算得到:金属膜的磨斑上不同变形区域所受的流变切应力不同,当该值大于原始膜的屈服应力时必然诱发膜的磨损加剧。

关键词： 金属有机框架   锌空电池   锂氧电池   双功能催化剂   反应动力学  

摘要： 随着我国清洁能源在能源结构中的占比持续提升以及新能源汽车对动力电池性能的要求不断提高,现有储能系统已经无法满足我国经济、社会日益发展的需要,因此研发高性能的电化学储能器件对实现绿色、低碳、高质量发展具有重要意义。金属空气电池高理论能量密度、低成本和相对安全的特点使其在下一代储能器件中更具有竞争力。其中锂氧(Li-O2)电池和锌空(Zn-air)电池是目前研究最多的两种金属空气电池,展现出巨大的应用潜力。然而,金属空气电池现阶段的电化学性能仍不理想,存在实际能量密度低、电池极化大和循环稳定性差等问题。这些问题主要源于金属空气电池迟滞的氧还原和析氧反应动力学以及电池各组分引起的寄生反应。通过对催化剂微结构设计,能够优化催化剂对反应中间体的吸附能,调控反应机制,降低电化学反应能垒,从而提升金属空气电池的能量密度和稳定性。金属有机框架(MOFs)具有超高的孔隙率、明确的催化中心、多样且可调的组分等优势。MOFs衍生材料不仅可以继承MOFs的优点,还能通过调控MOFs前驱体获得双功能催化剂。因此,MOFs及其衍生物在电催化领域展示出广阔的应用前景。本文结合表界面工程、异质结构构建、缺陷调控等多种策略,设计MOFs及其衍生物的形貌并优化其电子结构,调控催化剂表面与反应中间体的吸附能,并解析催化剂微结构、反应机制和电化学性能之间的构效关系。主要研究内容如下:1.通过盐模板和高温磷化策略合成负载钨掺杂Co2P的氮掺杂片层结构碳纳米材料(W-Co2P/NC)。从提升催化剂活性位点密度和催化位点本征活性两方面入手,一方面结合盐模板和MOFs衍生的方法抑制Co2P纳米颗粒的团聚,提高表面暴露原子比例;另一方面,通过引入高价态的5d过渡金属钨掺杂,调控Co2P的电子结构,优化对反应中间体的吸附能,改善催化位点本征活性。MOFs衍生的氮掺杂碳纳米片具有高导电性和良好的ORR催化性能,与Co2P之间的相互作用能够增强两相的界面电子转移能力。结构测试与理论计算结果表明,钨原子具有较强的给电子能力,能够提升周围原子的电子云密度,从而优化Co2P中Co位对ORR/OER中间体的吸附能,降低速控步的反应能垒,表现出高ORR(半波电位为0.861V)和OER活性(50mAcm-2电流密度时过电位为350 mV)。以W-Co2P/NC为空气正极组装的锌空电池具有高功率密度(224.4 mW cm-2)、优越的放电比容量(881 mAh g-1)和长循环寿命(130 h)。2.采用原位刻蚀和水热反应制备了 ZIF-67衍生的中空NiCo LDH/MnO2纳米笼。Ni2+的引入诱导ZIF-67发生水解,转化生成由NiCo LDH纳米片组装的纳米笼,进一步经过水热反应在纳米笼外部原位生长δ-MnO2,构筑NiCo LDH/MnO2异质结构。中空纳米笼结构有效抑制了 NiCo LDH和MnO2纳米片的堆叠,提供了更大的比表面积和更多暴露的活性位点,缩短了传质通道。MnO2的引入不仅增强了 NiCo LDH的结构稳定性,而且构建的异质结构加快电子转移,优化了材料表面与LiO2的吸附能,实现了对放电产物形貌的控制。在吸附能调控和催化剂表面形貌的双重作用下,放电后的NiCo LDH/MnO2正极表面生长的Li2O2为交错纳米片组装的环状颗粒。这种Li2O2具有丰富表面结构且与电极紧密结合,使其在充电反应过程中不易从电极脱落且更易分解,从而提升锂氧电池的可逆性。NiCo LDH/MnO2双功能催化剂显著降低了锂氧电池的充放电过程的过电位(限制容量500 mAhg-1时充放电过电位仅为0.63 V),提供了更大的放电容量(电流密度为100 mA g-1时完全放电容量为13380 mAh g-1),实现长时间稳定循环(循环163次)。3.以二维叶片状CoZn-ZIF为前驱体,利用双金属MOFs中不同金属团簇的氧化还原能力差异,使CoZn-ZIF中的Co-N键选择性断裂,原位转化为在ZIF表面生长的Co(OH)2,获得高效的Co(OH)2/ZIF催化剂。结构及成分表征结果表明,稳定的Zn-N键维持ZIF的骨架,使微孔和介孔共存。大的比表面积和丰富的孔道有利于Li-和O2的快速传输,为Li2O2的形成和分解提供了更多可及活性位点。ZIF结构选择性破坏使Zn和Co金属中心产生不饱和配位,从而在金属位点产生未占据3d轨道,为反应提供更多催化位点。理论计算结果显示,原位形成的Co(OH)2/ZIF异质结构能够优化反应中间体的吸附能,降低反应能垒,进一步提升对锂氧电池反应的催化活性。得益于Co(OH)2和富含不饱和配位金属位点的ZIF的高效协同作用使Co(OH)2/ZIF的锂氧电池性能明显提升,在500mA g-1高电流密度下表现出13570 mAh g-1高放电比容量和275次的长循环寿命。4.

关键词： 太赫兹   超材料   强耦合   生物传感   Aβ16-22多肽   环偶极子   地沟油   黄曲霉毒素B1  

摘要： 超材料具有能灵活调控电磁波以实现其它材料不具备的独特电磁特性,并且它在众多领域具有潜在的应用前景,受到了科研人员的广泛关注。超材料传感器通常是通过等离子体共振效应实现强局域场,以有效提高传感信号,实现对表面介电环境高敏感检测。超材料传感与传统传感相比具有响应快、灵敏度高、无标记、实时监测和测量简单等诸多优势。石墨烯是由sp杂化的碳原子组成的二维材料,能很好地吸附生物分子,在生物传感方面表现出非凡的潜力。本文基于强耦合的拉比分裂原理设计了一款金属-石墨烯杂化超材料,另外还利用环偶极子共振原理设计了两款超材料共振微结构,并分别对这两种共振机理进行研究。同时还使用标准光刻工艺制备出这三款超材料微结构,并结合太赫兹时域光谱系统作生物传感器件,分别检测了Aβ多肽、地沟油、黄曲霉毒素B1。文章具体研究内容如下:首先,我们结合模拟软件设计了一款由金属光栅与表面石墨烯组成的杂化超材料。该超材料在太赫兹波的激励下,表面的石墨烯能激发出表面等离子体共振,金属光栅能形成异常光学透射效应,这两种共振模式在石墨烯掺杂与金属光栅参数匹配时会发生强耦合,形成一种新的共振模式——拉比分裂。我们从实验上制备出了该杂化超材料,将其应用于Aβ多肽的聚集过程检测。不同聚集状态的Aβ多肽会引起该超材料表面的石墨烯掺杂状态的不同,进而引起石墨烯费米能的变化,这些变化会灵敏地反映在杂化超材料的拉比分裂透射谱上。我们利用分子动力学模拟,提出了π-π键堆叠来解释Aβ多肽聚集过程中石墨烯的费米能级的变化,并通过拉曼光谱验证了我们理论的正确性。其次,我们基于环偶极子共振原理,设计并制备了一款镜像对称的方形双开口环结构环偶极子超材料传感器,该传感器在1.436 THz处产生Q值为16.8的透射谐振谷。对谐振频率处结构表面电流分析表明,该结构能在抑制电偶极子和磁偶极子的同时迅速增强环偶极子。其作为生物传感器,在分析物厚度饱和时灵敏度高达348.8 GHz/RIU,可以灵敏感测表面介电环境微小变化。并从实验上测量了不同的油样,实验结果验证了其对标准食用油和劣质地沟油的良好分辨性,表明该器件在食品安全监测等方面潜在的应用前景。最后,我们同样基于环偶极子共振理论设计了一款镜像对称的双半圆环形高灵敏超材料传感器,其在1.33 THz处形成一个Q值高达26.6的尖锐透射谷。在饱和厚度分析物下折射率灵敏度高达337.5 GHz/RIU。实验中,我们利用该超材料器件检测出了不同浓度的黄曲霉毒素B1,表明其可以在太赫兹领域实现高灵敏的无标记检测,更加丰富了太赫兹超材料传感器件。

关键词： Bi2Te3基热电材料   热电性能   冷烧结   低晶格热导率   空位型缺陷  

摘要： 能源是文明进步的重要物质基础和动力。当今世界,生产生活方式加快转向低碳化。十四五能源发展规划对新能源技术的创新发展提出了更高的要求。热电材料是目前清洁能源的发展方向之一。提高材料的热电性能是热电技术能否得到广泛应用的重要前提。研究表明,材料内部的微结构缺陷可以有效降低热电材料的晶格热导率,提高其热电性能。然而,材料致密化过程通常在较高的温度下进行,该过程存在明显的晶粒生长及微结构缺陷复合等现象,不利于晶格热导率的调控,因此需要探索一种热电材料的低温制备方法。本文以BiTe基热电材料为研究对象,利用水热法制备了BiTe、BiTeSe纳米粉体,采用冷烧结技术在110～150℃对粉体进行成型制备。根据热电参数测试结果对150℃冷烧结BiTe、130℃冷烧结BiTeSe在200～350℃下进行退火,测试了其退火后的正电子寿命及热电性能,分析了冷烧结BiTe及BiTeSe中的微结构缺陷种类,探讨冷烧结对这些缺陷及热电性能的影响。主要研究结果如下:1、冷烧结BiTe样品中存在大量的空位团缺陷,且缺陷随热处理温度升高逐渐发生复合。热导率测试显示,150℃下冷烧结BiTe在室温下晶格热导率约为0.55W/m K。300℃退火样品在室温下的晶格热导率约为0.39W/m K。最大ZT值由300℃退火样品在323K时取到,约为0.39。2、冷烧结BiTeSe中空位团缺陷的尺寸有所变化,掺杂没有明显改变空位缺陷浓度。130℃下冷烧结的BiTeSe的晶格热导率在室温下约为0.46W/m K。300℃退火后样品的晶格热导率室温下约为0.68W/m K,在353K时候取到最大ZT值为0.25。通过本论文的实验研究,证明冷烧结技术能够实现BiTe基热电材料的低温制备并保留材料内部的微结构缺陷,有效降低材料的晶格热导率。本论文有效探索了低温制备热电材料的方法,丰富了热电材料致密成型方法及其热电性能的优化途径。

关键词： 混合基质纳滤膜   二氧化硅   纳米气泡   结构调控  

摘要： 薄层复合纳滤膜（TFC NF）因其操作压力低，通量高，可分离一、二价离子等优点而被广泛应用于海水淡化，染料去除，药物分离等领域。随着薄层复合纳滤膜技术的日趋成熟，人们对混合基质纳滤膜的要求也逐渐提高，开发具有高通量、高分离性以及高抗污性能的混合基质纳滤膜仍是当前研究热点。有研究表明在水相中添加纳米发泡剂，通过在支撑层与分离层之间产生纳米气泡，进而改变膜表面形貌，使通量和截留同步提高，这为制备高性能纳滤膜提供了新的研究方向。　　实验围绕着“纳米气泡对二氧化硅混合基质纳滤膜微结构调控研究”探讨了纳米气泡的不同产生方式对TFC NF以及二氧化硅混合基质纳滤膜性能的影响。为了研究纳米气泡对二氧化硅混合基质纳滤膜的影响，先将纳米粒子（R812s SiO2）加入到有机相中，在其基础上研究纳米气泡对二氧化硅混合基质纳滤膜性能影响。具体内容如下：　　在TFC NF水相中加入两种不同发泡剂NaHCO3、NH4HCO3，会使膜在界面过程中产生存在于支撑层和分离层之间的气泡，从而使得膜表面的脊骨增加。同时NaHCO3会使膜界面聚合程度增加，大幅增加了膜的选择性;铵根离子的存在会抑制界面聚合的进行，所以截留不会增加，膜的选择性大幅降低。　　成功将疏水性纳米粒子R812s SiO2引入油相后，膜的表面形貌发生了明显变化。当纳米粒子浓度增加时，可以明显看到它们在膜表面聚集，从而导致膜表面的粗糙度大幅增加以及亲水性下降。在加入纳米粒子的基础上，在水相中添加NaHCO3纳米发泡剂。随NaHCO3含量增加，膜表面的变化与简单的TFC NF中添加NaHCO3时的变化基本相同。由于纳米粒子存在，膜表面的粗糙度会明显增加，同时还会有协同作用提高性能。在加入纳米粒子的基础上，在水相中添加NH4HCO3纳米发泡剂，当NH4HCO3浓度较低时，膜表面的变化与简单的TFC NF中添加NH4HCO3时的变化相似。然而，当浓度达到0.5 wt%以上时，膜表面的变化完全不同：由于纳米粒子对纳米气泡引起的脊骨增加存在一定限制，纳米气泡会破裂。当浓度进一步增加，纳米气泡会包裹住纳米粒子，膜表面凸起增大。

关键词： 复合材料   注塑成型   外磁场   防除冰性能   表面微结构  

摘要： 结冰和覆冰对户外材料的使用带来了很大的局限性，具有较高粗糙度、低表面能的超疏水微结构防/除冰表面由于其超疏水性、低冰黏附性引起了科研人员的巨大兴趣，低黏附微结构表面对聚合物复合材料的润湿和防冰性能具有重要影响。超疏水表面拓扑结构的完整性有利于防冰，而将被动防冰策略与主动防冰相结合具有重要的现实意义。为此，基于模板法，本文采用微成型技术制备了超疏水微结构表面，探究了润湿性能与微结构间的关系;优选模板后，以负载在石墨烯（GP）表面的磁性粒子四氧化三铁（Fe3O4）为填料，通过外磁场下注塑成型聚丙烯（PP）基复合材料表面微结构，实现了聚合物表面的防/除冰性能，并且采用基于有限元模拟的多物理场耦合分析和实验结合的方式，从宏观和微观的角度探究了磁性粒子对熔体充填微型腔的影响，及其对复合材料防/除冰性能的影响。　　自然界生物表面微纳结构被发现以来，动植物超疏水表面的极高静态水接触角（CA）和极低液滴黏附力，为超疏水表面的制备提供了重要指导意义。本文提出了操作简单、便捷的模板法，用于制备具有矩形微柱和类金字塔阵列的仿生聚碳酸酯（PC）表面。此外，在热压成型过程中将分散在金属不锈钢筛网模板上的疏水二氧化硅纳米粒子（SNPs）或全氟癸基三氯硅烷（FDTS）转移到PC熔体中，并牢固地黏附在PC微结构表面上，形成双层微结构。低表面能物质SNPs或FDTS使得井字形微特征所复制的矩形微柱结构高度增加，使得锥形模板复制的类金字塔微结构尺寸变小。结果表明，SNPs可以使PC微结构表面的物理拓扑结构润湿性能提高，FDTS可以使PC微结构表面的化学成分多样化伴随着低表面能物质对表面超疏水性能的显著提升。类金字塔阵列超疏水表面微结构间含有气穴，微结构表面上含有SNPs积累形成的高拒水特性的亚微米结构。可以于1100Pa的静水压力下维持超疏水状态，液滴冲击微结构表面后发生反弹和滚动，表现出高效的自清洁性能，并且具有优异的抗液滴冲击性能，在液滴撞击表面后反弹最大高度可达~3.98mm（即为液滴直径的1.6倍）。　　优选柔性金属不锈钢筛网作为模板后将磁性纳米粒子Fe3O4与GP一起作为填料加入PP基体，共同作为超疏水防/除冰表面的光热响应材料载体。在外磁场下，微注塑成型PP基复合材料微结构表面，并使用多物理场耦合模型对电磁铁磁力作用下磁性粒子的迁移进行了模拟分析。磁泳力作用下粒子带动熔体使微结构高度从~85μm到~150μm，微结构间的气穴使表面张力极低，CA达到~153°。此外，当液滴以1ms?1的初始速度撞击微结构表面后，液滴发生多次反弹并脱离表面，表明超疏水表面润湿稳定性好，这也使得液滴更难在微结构表面停留并冻结。通过增高微结构使光线在其表面发生的反射次数增多，可以更有效地吸收光线。在强度为1kWm?2的太阳光照辐射下，复合材料表面温度在67s内从室温上升到94℃，此外复合材料表面冰的黏附强度从~30kPa下降到~9kPa。聚合物复合材料表面更完整拓扑结构的形成以及磁性粒子的光热效应赋予了超疏水表面良好的被动防冰和主动除冰性能，有望在户外注塑件的制造中得到实际应用。