关键词： 水泥基材料   硅藻土   微结构   分子动力学   冻融劣化  

摘要： 为了应对传统水泥行业高排放、高耗能等问题,逐渐出现了利用富硅矿物掺合料替代水泥的混凝土制备技术,这些技术有助于传统水泥行业向绿色、低碳、节能、环保转型。适量的富硅矿物掺合料不仅可以优化水泥基材料的微观结构、提升材料性能,还可以显著降低水泥用量。然而,由于系统复杂性和时变性特征,富硅矿物掺合料与硅酸盐水泥体系的水化机理仍不清晰,尤其是对于水泥和富硅矿物掺合料自身反应活性的研究还不够深入。此外,富硅矿物掺合料参与水化反应会影响微观结构形成,并对材料长期耐久性能产生影响。因此,本文主要研究硅藻土和硅灰等富硅矿物掺合料,探究不同硅藻土掺量对材料水化反应、微观结构形成和冻融劣化的影响机制。本文主要研究内容包括: （1）利用反应性分子动力学（MD）模拟和高场固态核磁共振（NMR）技术相结合开展相关研究工作,进一步解释了水化诱导期的成因,并揭示了固液界面上的微观机理。通过对C3S与水分子间固液界面溶解与沉淀事件的实时监测,发现了C3S溶解动力学过程与Ca的表面配位结构具有显著的定量关系。揭示了溶出Ca的表面重吸附主导C3S自减速溶解的作用机理。 （2）通过研究硅藻土等富硅矿物掺合料的溶解过程,定量描述了矿物掺合料的反应活性。利用高温加速策略在时域进行了充分的原子构型采样,揭示了二氧化硅从完全连接的结构网络到最终水溶液组分的逐步转变。强化采样方法Well-Tempered Metadynamics（WTMeta D）的自由能重建结果表明,1500K的高温加速策略不会显著改变二氧化硅的反应路径。此温度下溶解动力学速率计算结果与经验值显示出很强的一致性。表面基元反应分析结果表明,碱性电解质溶液中脱羟基化的二氧化硅表面主要经历从以Si-O-Si键断裂为主导到以羟基化为主导的表面反应转变过程。 （3）利用硅藻土材料,通过考虑不同富硅矿物掺合料的种类与掺量（包括硅藻土与硅灰）,利用压汞法（MIP）和氮气等温吸脱附法（NAM）等试验方法,对硬化水泥砂浆的孔结构及力学性能进行了试验表征与测试。同时,根据第二、三章矿物溶解与水化的研究结论,考虑了硅藻土掺量对水泥砂浆孔结构形成与力学性能发展的影响机制。此外,对冻融循环后硅藻土水泥砂浆的孔径结构分布进行了试验表征,利用多维分形分析方法,揭示了冻融前后材料孔结构非均质性和连通性的演变机理,揭示了硅藻土通过参与水化反应影响材料微结构形成并进一步改变水泥砂浆冻融劣化作用的影响机理。 （4）通过建立硅藻土混凝土冻融损伤本构模型,阐明了硅藻土等富硅矿物掺合料对冻融环境下混凝土材料力学性能的作用机理。分析了硅藻土等富硅矿物掺合料水化体系的混凝土柱在冻融环境下的抗震性能,并揭示了硅藻土等富硅矿物掺合料对冻融环境下混凝土柱抗震性能的影响机制。

关键词： 玉米   钴   ZnO NPs   CeO2NPs   油菜素内酯类   种子引发   光合作用  

摘要： 农业与人类生活直接相关,为生存和健康提供食物。它受到许多环境挑战的威胁,如气候变化、资源枯竭和非生物胁迫,包括重金属、盐和干旱等。其中重金属已被发现严重损害作物的生长和发育,对粮食安全和人类健康构成严重威胁。钴(Co)是一种有毒的非必需重金属(HM),已成为影响全球粮食生产和质量的主要污染物。因此,需要创新的策略和方法来研究作物中Co诱导毒性的机制。已经采用了各种策略来缓解这些来自土壤-植物系统的压力源的植物毒性影响,但还没有找到一个有效的方法来减轻Co的毒害。纳米技术是作物科学中的一个新兴领域,因为它在改善作物生产和减轻各种胁迫方面具有潜力。纳米技术已成为提高作物生产力和促进可持续农业的一种很有前途的工具。更重要的是,种子纳米引发方法显示出对抗非生物胁迫因素的潜力,并提高了作物生产力。到目前为止,工程纳米颗粒(ENP),如氧化锌纳米颗粒(ZnO NPs)和氧化铈纳米颗粒(CeO NPs),为改进新型农药肥料配方提供了很有前途的策略。在本研究中,我们以对玉米幼苗为材料,研究Co对玉米作物的毒性作用,并揭示其潜在作用机制。我们的研究结果表明,共胁迫通过引起氧化损伤、营养缺乏和光合器官损伤,对植物生长发育产生负面影响。Co浓度的增加导致根和地上部ROS的过量产生,主要通过透射电子显微镜监测高MDA含量、细胞死亡和超微结构损伤来引起氧化损伤。通过激光共聚焦显微镜用ROS染色荧光进一步证实了结果。作为对胁迫的反应,我们观察到随着Co浓度的增加,植物抗氧化防御活性呈增加趋势,但在最高使用浓度的Co时,抗氧化防御活性突然下降。更重要的是,这些结果表明,Co胁迫破坏了氧化还原稳态,导致ROS的过量产生并导致氧化损伤。我们的发现可能为开发有弹性的植物系统提供潜在的策略,以提高共污染地区的作物产量。此外,我们使用纳米颗粒作为种子引发剂来减轻Co诱导的毒性,并改善植物在胁迫条件下的生长。通过种子引发应用NP是一种创新且具有成本效益的方法,通过激活植物生理过程和提供对各种胁迫的耐受性来改善种子发芽和随后的植物生长。我们的研究结果表明,ZnO NPs显著改善了Co胁迫下玉米的植物生长、生物量和光合机制。NPs引发降低了玉米芽中ROS和MDA的积累。更重要的是,ZnO NPs通过减少Co的吸收来减轻Co的毒性作用,并赋予植物超细胞结构和光合器官稳定性。此外,在NPs引发的幼苗中发现了更高的营养含量和抗氧化酶积累。总之,我们提供了第一个证据来证明通过ZnO NPs种子引发在玉米中减轻Co毒性,从而说明了ZnO NPs作为胁迫缓解剂在Co污染地区种植的作物中的潜在作用,以提高作物生长和产量。此外,我们检查了纳米颗粒(CeO)与激素(油菜素甾体)的联合应用。氧化铈纳米颗粒最近成为一种有效的ROS清除剂,也是一种通过充当纳米酶来减轻非生物胁迫的潜在试剂。它被广泛用于保护植物免受非生物胁迫,促进植物生长发育。类似地,油菜素甾体(BRs)是一种新的植物激素类固醇和植物生长促进剂,具有减少各种环境胁迫和促进植物生长发育的潜力。我们的研究结果揭示了Co对玉米的各种不利影响,如抑制生长和光合作用相关属性。CeO NPs和/或BRs的应用通过降低ROS水平、MDA含量和增强植物抗氧化酶活性来减少氧化损伤。同样,应用CeONPs和/或BRs恢复了玉米的超微结构损伤,改善了捕光色素和其他光合作用和生长相关属性。更重要的是,在Co胁迫下,CeO NPs和BRs的联合应用对玉米生长和相关属性的改善更加明显。总之,我们的观察结果表明,应用CeO NPs和BRs可能是一种有益的做法,可以提高在Co污染地区种植的作物对Co胁迫的耐受性,有重要的理论意义和实际应用价值

关键词： 梯度纳米晶   梯度率   强塑性   晶体塑性有限元建模  

摘要： 随着纳米结构材料在航空航天、微纳电子器件和智能医疗设备等领域的广泛应用,对其综合力学性能的要求不断提高,其中强度和韧性是评估其工程服役能力的两个重要力学性能指标。相比于传统的粗晶结构材料,纳米晶金属材料的强度可以得到大幅度提升,但其往往缺乏拉伸塑性和应变强化能力,强度和韧性呈现“鱼和熊掌不可兼得”的倒置关系,这严重制约了纳米晶金属材料的应用和发展。在纳米晶结构中构筑梯度晶粒结构,可以实现强度和塑性的协调发挥,是当前改善纳米材料性能的有效手段,也是当前纳米结构金属重要的研究方向。针对梯度纳米材料制备困难以及实验上最优梯度率不易控制的问题,本文采用计算机模拟的方法构筑不同晶粒尺寸梯度的梯度纳米晶铜结构,采用晶体塑性有限元方法进行研究,探寻具有最佳强塑性匹配的梯度结构特征,并深入研究高强韧梯度纳米晶结构的强塑性微观机理。主要结论如下:(1)针对本构关系中塑性参数获取困难的问题,通过晶体塑性有限元模拟,研究了塑性本构参数对力学行为的影响,给出了用于有限元分析的塑性参数标定方法。此外,通过对不同的双相梯度结构铜的拉伸响应计算发现,双相梯度铜结构中的梯度结构相较于均匀结构在强度和塑性等力学性能上具有显著优势。(2)通过对具有不同晶粒尺寸梯度结构特征的二维梯度纳米晶铜的力学行为、应变和应力场进行了计算分析发现:当晶粒尺寸分布梯度满足线性关系(即梯度率为1)时,梯度纳米晶铜具有最优的强塑性匹配;在拉伸变形过程中,粗晶承担了较大的应变,而细晶粒承载了更大的应力;当梯度率为1时,梯度纳米晶铜在塑性变形中具有最大的应变和应力梯度,且体系达到稳定的应变和应力梯度较晚。(3)为了使模拟计算结构更接近实际情况,对三维梯度纳米晶铜进行了模拟计算分析。结果表明:在最优强塑性匹配、应变和应力变化规律方面与二维实验结果一致;当梯度率为1时,变形过程呈现多轴应力状态,晶体中将激活更多的滑移系统使得应变硬化率上升及塑性流动增强;通过粗晶和细晶的相互约束能够有效减轻表面粗糙化程度,粗晶和细晶的应变局域化可以同时被有效地抑制;此外,采用分子动力学方法对不同梯度纳米结构进行了模拟计算,同样得到梯度率为1时梯度纳米结构具有最佳的强塑性匹配,此时的应力和应变梯度最大,微观尺度分子动力学计算结果与宏观尺度晶体塑性有限元计算一致,进一步分析发现最佳强塑性匹配时,体系中位错密度最大,模拟结果与梯度塑性理论一致。本研究探索了梯度纳米结构材料的设计,并深入研究了梯度纳米晶结构金属的塑性微观机理。该研究为制备高性能材料提供了理论指导和坚实可靠的理论依据。

关键词： 短碳纤维   3D打印   同步辐射CT   仿生设计   微结构   损伤演化  

摘要： 轻质高强复合材料对于节能减排和降低成本具有重要意义,是当前国防军工、航空航天和汽车能源等众多尖端领域的备受关注的研究课题。碳纤维具有高比刚度、高比强度和耐腐蚀性等诸多优异特性,以碳纤维为增强相的复合材料得到越来越广泛的应用。而短碳纤维又由于成本低、工艺简单、可设计性强等优势,为纤维基复合材料的设计和制备提供了更多可能性。然而,研究也发现短碳纤维在基体材料中存在易团聚、纠缠、取向差等问题,这严重制约了其材料性能的提高,并制约了其进一步的发展。对短碳纤维增强复合材料的损伤演化过程进行探讨,明晰这种材料的破坏失效机制,并能相应地对这类材料的结构设计与实验制备提出一些新的方案或者优化策略,这对于高性能短碳纤维增强复合材料的获得具有重要指导意义。3D打印技术是一种新型的材料成型技术,为复杂结构复合材料的设计制造一体化成型提供了有效的技术途径。本研究采用同步辐射CT技术对3D打印短碳纤维增强尼龙熔丝材料在拉伸载荷作用下的内部微结构特征及其损伤演化过程进行原位在线观察,发现复合材料的破坏过程不是灾难性的,而是由内部孔洞萌生、扩展和演化主导下的连续变形损伤过程。基于此现象,结合基于经典复合材料细观模型的理论分析和更精细的有限元模拟方法,对3D打印短碳纤维增强复合材料内部孔洞的形成机制及碳纤维的空间排布对孔洞扩展演化的影响机制进行分析。结果表明,当材料内的短碳纤维呈交错排布时,能有效地避免纤维端部聚集引起的应力集中和纤维间存在大倾角时引起的界面脱粘,进而提高材料整体的承载能力。而为了更好地让短碳纤维在材料中呈交错式排布,需要提高纤维在基体中的分散均匀性和取向一致性。基于这些分析结果,从流体力学的角度提出了对3D打印的打印工艺和喷嘴形状设计的优化策略,以改善3D打印短碳纤维增强复合材料内部的微观结构形态,这为3D打印高性能纤维增强复合材料提供了理论指导意义。在自然进化中,众多的生物材料因其内部从纳观到宏观各级结构的精巧配合表现出惊人的力学特性。众所周知,生物材料大都属于复合材料,有的由多种有机成分复合而成,有的由有机相和矿物质组成。因而,深入研究这些天然生物复合材料的精细结构,并模仿其结构开发出高性能的人工复合材料,将会对复合材料的发展具有深远影响。随着对天然纤维材料的深入研究和合成纤维工业的逐步发展,仿生纤维增强复合材料的开发和制备受到越来越多的关注。尽管国内外研究人员开发了多种组装方法,但由于技术的限制,目前依然很难实现针对微纳米尺寸纤维的界面修饰,有序排列及可控组装。本文以短碳纤维和聚氨酯为原料,结合针管挤制和热蒸发的方法制备出具有特定纤维取向的短碳纤维增强聚氨酯复合材料薄膜,又利用层压组装的方法制备了具有不同层间夹角的仿螳螂虾螺旋叠层结构材料。此外,通过观察材料拉伸前后的形貌特性和测定其拉伸强度,对其力学增强机理进行研究。结果表明:短碳纤维在薄膜材料中具有良好的取向一致性,当纤维取向角为45°时,薄膜材料的拉伸强度最大;而当层间夹角为30°时,短碳纤维增强聚氨酯仿生螺旋结构材料的拉伸强度最大。这对于设计和制备高性能短纤维增强复合材料,并实现其性能仿生优化具有重要的指导意义。综上所述,本文对3D打印短碳纤维增强复合材料的损伤演化机制进行了研究,并对3D打印的打印工艺和喷嘴形状提出了优化方案;进一步,开发了一种能够实现短碳纤维增强复合材料的纤维有序,可控组装工艺,制备了具有不同层间角度的仿螳螂虾螺旋叠层结构样品,通过力学测试、微观表征及有限元数值模拟等方法,揭示了其力学增强机制,并对短碳纤维增强复合材料的结构提出了优化策略,这些结果将为轻质高强材料的结构设计、制备和性能提高提供有益的指导。

关键词： SiC纳米纤维   BN界面层   层状结构   SiC陶瓷基复合材料   热压烧结   高质量分数  

摘要： SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料(SiC/SiC CMC)拥有高强度、低密度、耐高温、抗氧化和抗辐照等特性,在航空航天和核反应堆等高温结构领域有潜在的应用前景。相比于微米级的SiC陶瓷纤维,单晶SiC纳米纤维(SiC)的缺陷少,强度高,是SiC陶瓷基复合材料的理想增强体之一。目前SiC主要作为次级增强体,与连续SiC陶瓷纤维协同增强SiC陶瓷基复合材料,关于高质量分数SiC纳米纤维增强SiC陶瓷基复合材料的研究报道较少。本文以氮化硼(BN)界面层包覆后的超长单晶SiC纳米纤维为增强体,以氧化物YO-AlO为烧结助剂,以β-SiC粉体为基体,热压烧结制备SiC增强SiC陶瓷基复合材料(SiC/SiC CMC)。探究了共混结合热压烧结工艺、纳米浸渍与瞬态共晶(NITE)工艺对SiC/SiC CMC致密度、微观组织和力学性能的影响,并对含BN界面层SiC的强韧化机制进行了分析。主要研究结论如下:(1)采用CVD法在单晶SiC纳米纤维表面制备了BN界面包覆层。以氨气(NH)、三氯化硼(BCl)为反应气源,以氩气为载气和稀释气体,采用CVD法在SiC表面实现了BN界面层的制备。探究了沉积温度、沉积时间对SiC表面BN界面包覆层微观结构的影响,并对界面层的元素和结构进行了分析。结果表明:随着沉积温度的增加,BN界面沉积速率先增后减,而随着界面沉积时间的增加,BN界面包覆层厚度逐步增加且与沉积时间呈线性相关性。SiC纳米纤维在950℃、45 min条件下制备的BN界面结晶度较好,厚度适中。(2)采用共混工艺结合热压烧结法制备了SiC/SiC CMC,研究了其微结构与力学性能。将不同质量分数的SiC(5-25 wt%)、YO-AlO烧结助剂和SiC纳米粉体(SiC)共混,经热压烧结制备SiC/SiC CMC。探究了烧结助剂含量、压力和烧结温度对SiC/SiC CMC致密度、微观组织结构及力学性能的影响。在此基础上,进一步研究了SiC含量对SiC/SiC CMC微观结构和力学性能的影响。结果表明:共混工艺结合热压烧结制备SiC/SiC CMC的最佳的烧结条件为温度1850℃、压力30 MPa、烧结助剂含量10 wt%。在最佳烧结条件下,15 wt%纤维含量下的SiC/SiC CMC综合性能最佳,抗弯强度和断裂韧性分别为524±30.24MPa和12.39±0.49 MPa·m。此外,25 wt%纤维含量下的样品在断裂时表现出了伪塑性断裂模式。(3)以BN界面包覆后的SiC纳米纤维为原料,通过真空抽滤工艺制备SiC预浸纸,并采用NITE工艺制备SiC/SiC CMC。探究了烧结压力和烧结助剂含量对SiC/SiC CMC综合性能的影响。结果表明:YO-AlO烧结助剂在高温下形成的YAG液相可以促进SiC颗粒重排及基体致密化。但是,较高含量烧结助剂(14 wt%)产生的过量液相会引起SiC晶粒粗化生长,降低复合材料的损伤容限(复合材料断裂韧性从12 wt%时的8.58±0.39 MPa·m降至7.08±0.48 MPa·m)。另一方面,不同烧结压力下的SiC/SiC CMC断裂韧性呈现出先增后减的趋势,且试样在20 MPa的烧结压力下断裂韧性取得最大值10.82±0.51 MPa·m。NITE工艺制备SiC/SiC CMC的最佳的烧结条件为温度1850℃、压力20 MPa、烧结助剂含量12 wt%。(4)在上述(3)的研究基础之上,进一步研究了BN界面沉积时间(界面包覆层厚度)及纤维含量对NITE工艺制备SiC/SiC CMC微观组织结构及力学性能的影响。其中,当BN界面沉积时间为60 min时(界面厚度为72 nm),复合材料的断裂韧性超过10 MPa·m。此外,以经60 min BN包覆后的SiC纳米预浸纸为增强体,探究了SiC质量分数(5 wt%-25 wt%)对SiC/SiC CMC综合性能的影响。结果表明:15 wt%纤维含量的SiC/SiC CMC的断裂韧性高达13.62±0.39MPa·m。与此同时,高SiC含量(15 wt%-20 wt%)的复合材料的载荷-位移曲线也呈现出阶梯状的非脆性断裂行为。综上,本文通过对BN界面涂层制备的研究,在SiC表面成功实现了BN界面层的制备。共混工艺制备SiC/SiC CMC的最佳的烧结条件为:1850℃、30MPa、10 wt%。在最佳烧结条件下,15 wt%纤维含量下的复合材料综合性能最佳,且25 wt%纤维含量下的复合材料在断裂时表现出了伪塑性断裂模式。采用层状结构设计NITE工艺制备的SiC/SiC CMC载荷-位移曲线表现出明显的阶梯状伪塑性断裂行为,断裂韧性最高达13.62±0.39 MPa·m。这表明NITE工艺层状SiC纳米预浸纸的结构设计对SiC陶瓷具有增韧作用。本研究为纳米纤维增

关键词： 可再生   多孔碳   微结构调控   电化学性能  

摘要： 多孔碳材料因其制备简单、环境友好和形貌可控等优势作为常用电极材料,在电化学各个领域均有广泛应用。利用可再生有机废弃物制备多孔碳电极,实现电极材料的合理设计和有效制备,对电化学能源器件性能的优化具有重要意义。具有独特微观结构的可再生多孔碳材料更有助于满足电极材料有效制备的需求,如何有效筛选满足应用需求的多孔碳材料,建立材料结构与性能应用之间的量化关联程度成为当下电极材料研制领域的关切点之一。因此,本论文以生物质和废旧高分子为碳源研制可再生多孔碳材料,结合材料微结构表征分析及其性能评价,提出电极材料孔隙累积占比与应用性能二者相关性设想,实现材料微结构精准调控目标,应证“材料结构”量化关联“性能应用”的思路,拓展可再生多孔碳材料在电化学领域的应用前景。研究内容主要包括以下几个方面:(1)以枯草渣为生物质碳源,分别采用直接碳化法和单活化剂(KOH或Zn Cl)活化法制备可再生多孔碳材料。研究表明,相较于直接碳化法制备的多孔碳材料,KOH单活化法制备的多孔碳材料产生了大量微孔,Zn Cl单活化法制备的多孔碳材料形成了多级孔结构,二者比表面积和孔容均得到提升,当电流密度为1 A/g时,相应比电容分别提升到222.23 F/g和226.20 F/g。(2)为了进一步丰富可再生多孔碳材料的多级孔结构,以枯草渣为生物质碳源,选用Zn Cl和Mg(NO)·6HO两种金属盐为双活化剂,采用一步活化碳化法制备可再生多孔碳材料。研究表明,双活化剂法制备的多孔碳材料具有更明显的多级孔结构,当电流密度为1 A/g时,其比电容最高可达230.10 F/g,通过分析材料孔隙累计占比与比电容二者相关性可得:电化学电容性能所需最佳孔径范围是0.8-1.2 nm;与此同时,双活化剂法制备的多孔碳材料还具有较高CO吸附量,在0℃、1 bar条件下,CO最高吸附量为3.09 mmol/g,其吸附性能所需最佳孔径范围是0.5-0.8 nm。(3)为了验证双活化法的普适性并进一步提高可再生多孔碳材料的性能,以聚对苯二甲酸乙二醇酯为废旧高分子碳源,同样选用Zn Cl和Mg(NO)·6HO两种金属盐为双活化剂,采用两步活化碳化法制备可再生多孔碳材料。研究表明,基于Mg O模板结构导向作用,废旧高分子碳源经双活化剂法制备的多孔碳材料中具备片层结构,丰富的片层结构同样有利于丰富材料的多级孔结构。因此,相应可再生多孔碳材料的丰富微孔结构(0.5-0.7 nm)使其具有适当比电容的同时具有更高的CO吸附量(3.79 mmol/g)。

关键词： 光扩散膜   雾度   微结构   一步相分离  

摘要： 随着智能时代的来临,光学照明显示器件走进了千家万户,作为起到光提取和发散作用的核心组成部分——光扩散材料的需求日益升高。目前主流的光扩散材料的设计制备方式包括体积扩散型和表面微结构型,其中体积扩散型材料是通过添加散射粒子造成的多重散射实现光的扩散效果,存在性能提升不明显以及环境不友好等缺点,而表面微结构型材料是通过光刻和压印等方式在透明基底表面构造微结构实现对光路的改变,存在成本昂贵和工艺复杂无法大规模生产等缺点。为了解决这些问题,本文提出了一种结合光扩散粒子与微结构的新型复合光扩散材料,并降低了微结构的制备工艺难度和成本,实现了在光学照明领域的良好应用。本文的研究主要包括以下两个方面:选用了高折射率的二氧化钛(Ti O)和高透明度的聚苯乙烯(PS)作为光扩散剂,利用硅烷偶联剂对Ti O进行了表面疏水接枝改性,利用分散聚合的方法在Ti O核上包裹了一层PS制备得到PS@Ti O核壳微球,探究了分散稳定剂含量对微球的影响。利用光刻技术制备了三种尺寸的微孔硅模板,选取了高透明度、惰性以及高弯曲性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为基底复型,在复型过程中引入PS@Ti O核壳微球制备了表面具有微柱阵列结构的复合光扩散膜,在3 wt%的粒子添加量以及50μm的微柱尺寸条件下,复合膜实现了最佳的光扩散性能。选用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为成膜基底,氯仿作为良溶剂,利用旋涂工艺,一步相分离法制备了排列规则紧密的聚合物多孔膜。通过调节PMMA浓度、相对湿度、溶剂种类和基底材料探究了影响多孔膜形成的因素,并对一步相分离法过程进行了监测和机理分析。在10 wt%的PMMA/氯仿溶液以及80%的相对湿度条件下,制备出的多孔膜结构较为均一紧密,实现了较高的光扩散性能。以多孔膜作为模板,大规模复型制备的PDMS微透镜膜仍具有出色的疏水性能以及光扩散性能,通过结合PS@Ti O核壳微球制备的复合膜成功地将刺眼点光源柔和扩散为面光源,得益于微结构的生产工艺的创新,复合膜可广泛应用于光学照明领域。

关键词： 家具用材   轻质多孔材料   软木微结构   仿真分析  

摘要： 轻质多孔材料具有比强度高、比刚度高等特点，在工程实践中发挥着广泛的应用价值。随着国家碳达峰、碳中和政策的实施，家具领域对轻质多孔材料的需求越来越大。软木是一种具备质量轻、隔热性能好、减震吸音等优异性能的天然多孔层状骨架结构材料，针对软木微结构进行结构仿生设计，实现新型轻质多孔材料的开发，对促进低碳生产、减少原材料消耗具有重要的研究价值与意义。　　本课题以软木微结构为结构仿生研究对象，设计了轻质多孔仿生结构，并进行有限元力学性能仿真分析和力学实验验证，在轻质多孔仿生结构的基础上，通过3D打印技术最终制备了具有优异力学性能的仿生轻质多孔夹芯板。论文的主要研究内容如下:　　(1)软木由类蜂窝层状细胞骨架构成，内部中空的软木细胞与层状细胞骨架是软木多孔且质轻的主要因素。根据软木层状细胞骨架结构特点，利用结构仿生学相似性理论，对软木微结构进行仿生设计，并且通过Creo三维建模软件构建了 CK-1型、CK-2型仿生轻质多孔结构模型与CK-3型对照组结构模型。　　(2)利用ANSYS Workbench对三种仿生结构分别进行了力学性能仿真分析,计算得到了等效应变图、等效应力图并拟合得出了载荷力—位移曲线，比较了三种仿生结构的比刚度值、比强度值。结果表明:CK-2结构的抗压性能与抗弯性能比CK-1结构更优，其中CK-2结构的抗压强度和比强度较CK-1结构分别提升12.7％和8.8％,CK-2结构的抗弯强度和比强度较CK-1结构分别提升13.8％和9.8％,同时，在轻量化设计方面，CK-2的多孔层状结构比对照组实体CK-3结构具有更轻的结构重量且材料利用率提升72.6％。　　(3)采用3D打印技术制备了三种仿生结构的实物试件，并对仿生结构进行了抗压与三点弯曲力学性能实验。结果表明实验结果与仿真分析结果的拟合程度非常高，证明了有限元分析结果可靠性和有效性。　　(4)通过优化和改进CK-2型仿生结构，利用3D打印技术成功制备出一种新型仿生轻质多孔夹芯板。在进行平压试验和弯曲试验后表明，该夹芯板的力学性能明显优于传统的家具用蜂窝纸夹芯板和木质蜂窝复合板，证明了仿生轻质多孔夹芯板应用于家具夹芯板领域的可行性。

关键词： 石墨烯   氧化石墨烯   电化学界面   微通道反应器   有序介孔   锂金属电池  

摘要： 石墨烯因其单原子层二维结构特征、优异的电/热/力/光学性质与灵活的结构调控性,作为电化学界面材料在构筑高比能电化学储能器件上具有独特优势。然而受制于针对石墨烯表面性质、微观结构与片层组装等特征有限的控制能力,以及对石墨烯基元结构与电化学储能间构效关系的理解不足,使其应用潜力仍未完全发掘。因此,针对石墨烯从制备、组装到应用各阶段进行基元结构的定向设计与严格把控,是实现高性能储能应用的关键。本论文主要针对氧化石墨烯的高效可控制备、石墨烯基元表面孔结构精确构筑,以及周期性介孔界面调控的锂形核与生长三方面进行了研究:针对传统Hummers法采用釜式反应器制备氧化石墨烯面临的反应效率低、产物控制差与安全隐患大的问题,本文发展了微通道反应器制备氧化石墨技术,将石墨氧化反应时间缩短到1.2-4.0min,所制备氧化石墨烯具有更高的氧化程度与更丰富环氧基团。利用对微反应器构型、反应时间与流速的调节,可在一定范围内精确控制氧化石墨烯的氧化程度、官能团与片径,其中C/O比在1.80-2.89内可调。并且,通过原位拉曼光谱实时检测石墨氧化过程拉曼G峰演变,实现了氧化比例与氧化动力学参数的动态鉴定。基于此,对于流速、石墨原料片径与氧含量对于石墨氧化速率常数的影响进行了定量分析。此外还验证了微通道内氧化石墨烯组装与还原,为石墨烯的连续流高效制备打下基础。进一步的,本文发展了自上而下与自下而上的两种石墨烯基元孔隙结构调控技术。首先是引入高碳固溶度的镍金属纳米颗粒刻蚀石墨烯形成面内贯通孔,通过对于金属纳米颗粒生长与数量的调节,实现了在10-40 nm可调的孔径分布与可控的孔密度。另外,在氧化石墨烯层间内引入均匀分散的油酸铁络合物前驱体,借助其高温分解形成的金属氧化物模板,制备了表面有序介孔碳网格修饰的石墨烯。调节模板颗粒结晶性与生长动力学或后处理,实现了面内有序介孔尺寸在10-17 nm、形状从圆至方形可控及化学组分可调。研究为石墨烯面内结构定向设计提供了简便方案。结构精细可控的开放性周期介孔碳网格修饰的石墨烯,可作为界面结构与电化学性能间的构效关系研究的模型材料。当石墨烯表面孔结构接近于经典形核理论下的锂核热力学临界尺寸水平,不同于平整石墨烯基底上典型的球冠状锂核,周期性介孔碳基底上锂的形核呈现均匀、致密与全覆盖式特征,这一理想的沉积形貌归因于丰富弯曲碳层贡献的亲锂位点与富无机组分的固态电解质层。并且,锂金属生长模式转变为近似于“Frank-vander Merwe”型的逐层沉积。降低基底碳网格尺寸至10 nm,组装对称电池在2 mA cm-2和1 mAh cm-2下能够稳定循环超过1100圈,而匹配磷酸铁锂正极在0.5 C下循环200圈后保有93%的容量,以及在5 C下比容量仍达116 mAh g-1。研究揭示了临界成核尺寸以下的受限空间内锂形核与生长,为高性能锂金属负极构建提供了新思路。

关键词： 连续介质中的束缚态   Fano共振   超表面   ENZ材料   主动调控  

摘要： 光场的主动调控在微纳光子器件中起着重要的作用。目前,在纳米尺度上捕获和主动调控光是纳米光子学的重要目标。提高不同材料之间的介电常数对比度是控制纳米尺度电磁场的有效途径。铟锡氧化物(ITO)是应用最广泛的Epsilon(ε)-Near-Zero(ENZ)材料之一,也是一种实现主动调控微纳光子器件的重要光学材料。它的载流子密度可以通过外加偏压有效地改变。通过控制ENZ的电流密度,诱导其介电常数发生较大变化,可以实现光场的主动调控。连续介质中的束缚态(BICs)在增强光与物质相互作用方面具有很大的前景,共振微结构的介质超构表面中准BIC(QBIC)的激发成为了一种实现高Q值介质共振腔的有效方法。在本文中,我们研究了ENZ材料与共振微结构复合器件的光场主动调控,研究内容主要分为两部分:1.首先对介质微结构共振腔的特性进行研究。通过在高度对称的硅纳米盘边缘引入双缺口来研究激发QBIC特性,QBIC在s偏振光和p偏振光下具有相同的光学响应。研究了偏振对QBIC模式与入射光耦合效率的影响,在与辐射通道相对应的偏振角为135°时,耦合效率最高。近场分布和多极子分解也证实了QBIC在z方向上由磁偶极子主导,值得注意的是准BIC覆盖的范围很广。最后,给出了一个实验证实,测量的频谱显示一个尖锐的Fano共振,其Q因子为260。其次,通过改变高度对称的复合气孔纳米结构中孔的相对位置,硅超表面由硅板上的5个方孔组成的单元能够激发多个高Q值BIC模式。利用FDTD数值计算了该结构激发的三种模式的透射谱线、多极分解、电场分布和场矢量分布,充分讨论了这些QBIC的性质,并且利用Comsol计算了这些BIC的Q因子,讨论了这些BIC模式的激发,透射谱线和Q因子的结果一一对应、模场分布和多极子分解情况互相印证,从而证实了这些BIC的模式,该结构这些多波带多模式BIC的优势对主动光调控具有重要的优势且在实验上能够精确控制。2.通过将硅共振微结构与ENZ ITO薄膜集成,Si-ITO复合器件数值证明了一种可调谐的准BIC,实现了对透射谱共振峰位置和强度的主动光场调控。研究发现所有的QBICs在调制这种混合结构的光响应方面都表现出优异的性能,调制深度可达14.8 d B。我们还研究了ENZ ITO薄膜的载流子密度对近场增强和远场散射的影响,这反过来又影响了基于这种结构的光调制的性能。本研究结果在研制有源高性能光学器件方面具有广阔的应用前景。