关键词： 纳米SiO2   矿渣   复合胶凝材料   流变   水化机理   微结构  

摘要： 随着海洋强国战略和西部大开发战略的稳步实施,海洋和盐湖环境下基础设施加速建设。然而,海洋和盐湖环境下氯盐/硫酸盐侵蚀严重影响了水泥基材料的耐久性,导致水泥基材料过早破坏,造成严重的经济损失。大掺量矿渣能够改善水泥基材料微结构,显著提高水泥基材料的抗氯盐/硫酸盐侵蚀能力。因此,使用大掺量矿渣是配制高性能海工混凝土常用的技术手段。大掺量矿渣的使用还能够减少水泥及能源消耗,降低环境负荷。然而,当矿渣掺量较大（大于50%）时,水泥基材料的早期性能显著下降,成为制约大掺量矿渣水泥基材料发展的瓶颈。 本文通过构建纳米SiO2-矿渣-水泥复合胶凝材料以解决大掺量矿渣水泥基材料早期性能不足问题。围绕纳米SiO2-矿渣-水泥协同作用下复合胶凝材料的流变、水化及微结构演变这一核心科学问题开展研究。研究了复合胶凝材料的流变演化规律并建立了相应的流变模型。研究了复合胶凝材料凝结性能、水化放热、水化产物含量以及水化动力学,阐明了复合胶凝材料的水化机理。研究了复合胶凝材料硬化浆体的力学性能、孔结构、物相分布以及C-（A）-S-H凝胶微结构,探明了复合胶凝材料硬化浆体的微结构增强机理。研究了复合胶凝材料硬化浆体与骨料间界面过渡区的Ca（OH）2取向性、微观形貌、物相分布以及孔隙率,揭示了复合胶凝材料与骨料间界面过渡区的增强机理。本研究为大掺量矿渣水泥基材料性能的进一步提升提供了理论依据与技术支撑,具有重要的理论意义和工程应用价值。取得的主要研究成果如下: （1）纳米SiO2-矿渣-水泥复合胶凝材料流变性能研究 矿渣具有一定的解絮凝作用,能够改善复合胶凝材料浆体在不同静置时间的流变性能,且矿渣的掺量越大改善效果越明显。纳米SiO2具有显著的促絮凝作用,能够降低新拌复合胶凝材料浆体在不同静置时间的流变性能,且纳米SiO2掺量越大降低效果越明显。本研究引入微结构参数-絮凝率（λ）,依据悬浮分散体系的微观流变学理论,建立了复合胶凝材料浆体的初始流变模型。以复合胶凝材料的经时流变数据为基础,引入相对水化程度（α’）参数,建立了纳米SiO2-矿渣-水泥复合胶凝材料的经时流变模型。上述模型能够对不同纳米SiO2及矿渣掺量下复合胶凝材料的静态屈服应力进行准确预测。 （2）纳米SiO2-矿渣-水泥复合胶凝材料水化与动力学研究 大掺量矿渣显著降低了复合胶凝材料的水化速率,减少了Ca（OH）2含量及化学结合水含量,生成了新的水化产物单碳型水化碳铝酸钙（monocarboaluminate）及单硫型水化硫铝酸钙（monosulfate）。纳米SiO2能够促进复合胶凝材料中C3S的水化,加速AFt向AFm的转变,促进矿渣的早期水化。因此,纳米SiO2能够精准调控大掺量矿渣水泥的凝结时间,为大掺量矿渣混凝土构筑物的快速施工提供了可能。纳米SiO2对复合胶凝材料中水泥的后期水化有微弱阻碍作用,但始终能够提高化学结合水含量。水化动力学研究表明,大掺量矿渣和纳米SiO2未改变复合胶凝材料的水化动力学过程,均经历了NG-I-D过程。但大掺量矿渣减弱了结晶成核与晶体生长过程,增大了相边界反应及离子扩散的难度。纳米SiO2促进了结晶成核与晶体生长及相边界反应过程,但增加了离子扩散过程的难度。 （3）纳米SiO2-矿渣-水泥复合胶凝材料硬化浆体微结构研究 纳米SiO2-矿渣-水泥复合胶凝材料能够降低硬化浆体的总孔隙率和平均孔径,改善孔结构。但随着矿渣掺量的增加,纳米SiO2与矿渣协同优化孔结构的能力逐渐减弱。BSE图像分析表明,纳米SiO2始终能够促进矿渣的反应（前28天）。此外,大掺量矿渣和纳米SiO2均能够改善水泥硬化浆体中C-（A）-S-H凝胶的微结构。纳米SiO2-矿渣-水泥协同作用下,复合胶凝材料硬化浆体的C-（A）-S-H链长进一步增加,Al/Si取代比进一步提高,C-（A）-S-H的Ca/Si比进一步降低,改善了硬化浆体中C-（A）-S-H凝胶的微结构。最终,复合胶凝材料硬化浆体的力学性能得到改善,且纳米SiO2掺量越大提升效果越显著。此外,随着矿渣掺量的提高,纳米SiO2对复合胶凝材料力学性能的提升效果逐渐减弱。 （4）复合胶凝材料硬化浆体与骨料间界面过渡区微结构研究 大掺量矿渣和纳米SiO2均能够减弱界面过渡区Ca（OH）2的择优取向。纳米SiO2-矿渣-水泥协同作用下,界面过渡区Ca（OH）2的择优取向进一步下降。扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）与背散射电子图像分析（BSE）结果表明,纳米SiO2的晶核效应、火山灰效应及填充效应与矿渣的火山灰效应能够协同作用,增加界面过渡区C-（A）-S-H凝胶含量,降低凝胶的Ca/Si比,减少孔隙,改善界面过渡区的微结构。最终,纳米SiO2-矿渣-水泥协同作用下,复合胶凝材料与骨料间的界面过渡区得以改善,提高了拉伸

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： 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： 仿珍珠层结构   砖泥结构   交叉叠片结构   动态力学性能   比吸能  

摘要： 本文以贝壳珍珠层存在的砖泥结构和交叉叠片结构为研究对象,研究不同几何参数对仿珍珠层复合材料动态断裂行为的影响。分别制备了砖泥结构和交叉叠片结构仿生复合材料。其中砖泥结构复合材料采用3D打印制备钛合金骨架,填充铝粉后真空热压烧结制备而成。由于交叉叠片结构复杂,传统方式难以制备,本文利用Ployjet光固化3D打印技术制备了硬质相和软质相相结合的交叉叠片结构复合材料。利用Abaqus有限元软件分别建立了砖泥结构和交叉叠片结构的有限元模型,通过实验结果验证了数值模拟结果的有效性,并研究了两种珍珠层几何结构对复合材料动静态力学性能的影响规律,得到如下结论:(1)设计并成功制备仿珍珠层砖泥结构复合材料,在准静态弯曲力作用下载荷-位移曲线呈阶梯式上升趋势;裂纹在复合材料内部发生偏转;抗弯强度为2033.1 MPa,断裂面消耗比能为273.5 J/m,表现出较高的吸能特性。(2)建立了仿珍珠层砖泥结构复合材料数值模型。利用实验结果验证了数值模拟的有效性。硬质相为长方形结构时应力传播的范围更广,能够更好的阻止裂纹的萌生和扩展。动态条件下,长方形结构表现出更强的抗裂纹扩展能力。在5 m/s的加载速度下,长方形结构比吸能是圆形结构的17.9倍,是正方形结构的4.3倍;在50 m/s的加载速度下,长方形结构比吸能是圆形和正方形结构的2倍。(3)建立了仿珍珠层靶板模型。研究了硬质相几何形状对复合材料抗侵彻性能的影响。与圆形和正方形靶板相比,长方形靶板使子弹速度损失了27.4%,具有更好的防护性能。增大硬质相长宽比可以有效提高仿珍珠层结构靶板的抗侵彻性能。(4)通过Polyjet 3D打印技术制备了不同硬质相厚度和层内角度的交叉叠片结构复合材料。利用Abaqus软件建立与之对应的交叉叠片结构有限元模型,数值模型与实验结果吻合度较好,相同硬质相占比条件下,减小硬质相厚度能够有效阻滞裂纹的扩展。当层内角度为90°时,静态抗拉强度由4.2 MPa减小至3.5 MPa,中等速度冲击条件下,抗拉强度由7.0 MPa减小至4.3 MPa,高速条件下抗拉强度差异较小;当硬质相厚度为0.4 mm时,随着层内角度的降低,静态抗拉强度由3.7 MPa增大至4.4 MPa,中等速度冲击条件下,抗拉强度由4.7 MPa增大至6.3 MPa,高速条件下抗拉强度差异较小。

关键词： 电子封装   放电等离子烧结(SPS)   Cu/Invar复合材料   形变热处理   界面调控   显微组织   热导率  

摘要： 我国军事及民用功率电子器件的快速发展迫切需要开发新型高强、高导、低膨胀电子封装材料。Cu/Invar复合材料综合Cu高导热及Invar低膨胀、高强等性能优势,兼具优良的加工、电镀与钎焊性能,有望克服W(Mo)/Cu与高体分SiCp(Sip)/Al基复合材料加工性能与工艺性能差的缺点,成为新型电子封装材料中强有力的候选者。 本论文采用等离子体烧结(SPS)+形变热处理+等温退火工艺制备了 Cu/Invar复合材料。基于SPS低温快烧、优选Invar粒径及Invar颗粒表面化学镀Ag,实现Cu/Invar复合材料的界面调控;借助于形变热处理及等温退火,实现完全致密化,并调控Cu晶粒尺寸,优化复合材料的显微结构,提高性能。建立数学模型,揭示Cu晶粒生长行为以及复合材料热导率(TC)与其显微结构的关系,为新型高强、高导、低膨胀Cu/Invar复合材料的开发奠定基础。主要研究内容与结论如下: 1)基于正交试验方案,以复合材料的TC、热膨胀系数(CTE)和抗拉强度(Rm)为指标,优化SPS工艺参数。Cu含量由30 wt.%增加至50 wt.%,Cu趋于连续分布,Cu/Invar复合材料的致密度、TC及CTE增大,Rm降低;烧结温度由700℃升高至800℃时,Cu/Invar界面扩散加剧,界面结合强度提高,Rm增大,但TC降低;烧结压力由40 MPa增大至50 MPa时,复合材料的致密度及界面结合强度提高,TC和Rm增大,CTE降低,继续增大烧结压力至60 MPa,界面扩散加剧,复合材料的Rm增大,TC反而降低。以TC为指标时,最佳的Cu/Invar复合材料SPS工艺参数为:真空环境,烧结压力50 MPa,烧结温度700℃,Cu含量50 wt.%。 2)采用粒径分别为26 μm及105 μm的两种Invar合金粉体为原料,采用优化的工艺参数,SPS烧结制备50 wt.%Cu/Invar复合材料。细Invar颗粒(f-Invar)在Cu基体中呈半连续状分布,均匀性低,构成Cu/f-Invar小角度共格相界,界面扩散大,界面结合强度较高。相较而言,粗Invar颗粒(c-Invar)在Cu基体中随机分布,均匀性高,构成Cu/c-Invar大角度相界,界面扩散小,界面结合强度低。因而,虽然50 wt.%Cu/c-Invar复合材料的Rm较低,但其TC更高,可达130.1 W/(m.K),接近于H-J模型的上限值。 3)采用化学镀工艺,在c-Invar粉体颗粒表面均匀包覆厚约1-2 μm的Ag层,合成Ag(Invar)复合粉体,SPS烧结制备50 wt.%Cu/Ag(Invar)复合材料。Ag镀层与Cu基体构成小角度相界面,与Invar构成大角度界面;该镀层可有效抑制Cu/Invar界面扩散,提高界面结合强度,提高复合材料的致密度,因而提高复合材料的Rm 和 TC。50 MPa,50MPa,700 ℃保温 1 min SPS 烧结 50 wt.%Cu/Ag(Invar)复合材料的 TC 高达 151.6 W/(m.K)。 4)对 SPS 烧结 50 wt.%Cu/c-Invar 及 50 wt.%Cu/Ag(Invar)复合材料进行压下量5%-35%多道次冷轧+氩气气氛下400℃保温1 h退火的形变热处理,进一步消除气孔,提高复合材料的致密度。形变热处理后,复合材料界面结构未发生变化,但促进了 Cu基体中纳米Ag及Fe-Ni颗粒的析出。随着形变量的增大,复合材料中Invar颗粒与Cu基体的变形协调性增大,复合材料的拉伸力学性能明显提高。但变形量的增大也导致Cu及Invar的取向性增大,形成{112}<111>Copper等多种典型的fcc金属变形织构;同时也Invar颗粒的长径比增大,Cu/Invar界面热阻增大,复合材料的TC降低。 5)对形变热处理后的50 wt.%Cu/Invar及50 wt.%Cu/Ag(Invar)复合材料进行最终等温退火处理,以调控Cu基体的晶粒尺寸,进一步提高复合材料的TC。600℃等温退火过程中,复合材料中Cu晶粒生长动力学模型分别为:Cu/Invar:d2.876-d02.876=2.172×1026×t1.899×exp[-481968/(RT)]Cu/Ag(Invar):d4.013-d04.013=4.604×1039×t1.794×exp[-559065/(RT)]复合材料TC与Cu基体晶粒尺寸的对应关系模型分别为:Cu/Invar:λc*=(6.649+0.312f(d))/(1.824+0.858f(d))f(d)Cu/Ag(Invar):λc*=(23.886+0.329f(d))/(5.3+0.851f(d))f(d)f(d)=400d/(39.3×10-9d+d+400×10-9))复合

关键词： 锑酸铋   CuI-MOF   微结构设计   光催化CO2还原   机理研究  

摘要： 随着对传统化石燃料如煤炭、石油、天然气等不可再生能源的开采和使用,使得人类社会面临前所未有的能源危机。另外,大量化石燃料燃烧产生的CO2排放到大气中,造成全球变暖、冰川融化、极端天气频发等环境问题,严重威胁着人类的生存环境。因此,如何有效减少CO2在大气中的浓度和实现资源化利用是急需解决的关键科学问题。光催化作为一种绿色环保技术,不仅可以实现减少大气中的CO2的浓度,还可以实现资源化利用CO2并将其转化为具有高附加值的化学品或燃料,是同时解决环境问题和能源问题的有效策略。然而,在光催化还原CO2过程中,由于催化剂本身的物理化学性质缺陷,导致催化剂的光吸收能力弱、光生载流子分离效率低、反应物吸附活化能力差、产物选择性差等问题而影响着光催化还原CO2的效率。发展光催化剂的微结构调控策略来拓宽光吸收范围、促进光生载流子分离、增加表面活性位点、增强反应物分子吸附活化,从而提高还原CO2的效率是重要的研究方向。本论文通过缺陷工程和微结构调控来优化和改善催化剂微结构的理化性质,以增加光催化剂的CO2还原活性位点,进而提升光催化还原CO2的性能。利用一系列表征对光催化剂的结构与形貌、表面价态和化学成分、光学性能、反应过程等进行分析,系统研究了光催化还原CO2的性能与催化剂微结构之间的构效关系。利用原位表征和理论计算模拟结合的方法揭示了光催化还原CO2的反应机理。主要研究内容如下:（1）缺陷工程策略调控锑酸铋（Bi Sb O4,标记为BSO）微结构应用于光催化还原CO2研究:通过简单的光诱导方法制备了氧缺陷（OVs）的Bi Sb O4（标记为BSO-OVs）首次应用光催化还原CO2。实验结果表明,BSO-OVs表现出良好的光催化性能,5 h的模拟太阳光光照条件下,CO和CH4产量分别为23.31μmol·g-1和1.60μmol·g-1,其CO的产量是BSO的19倍。通过对材料进行表征分析,结果发现OVs的引入不仅提高了BSO的光吸收能力和减小了带隙,还明显抑制了光生载流子的复合,从而显著增强其光催化还原CO2性能。结合原位漫反射红外实验和理论计算分析可知,活性增强的原因是由于OVs易于吸附活化H2O分子,使其解离产生大量的质子促进CO2的氢化,使进一步生成·COOH从而促进CO的生成。此外,OVs降低了CO产物生成的决速步骤（*CO2到·COOH）的反应能垒（1.253到1.133 e V）,使生成CO更容易实现,从而提高光催化活性。这项研究展示了缺陷工程策略调控光催化剂的微结构提高光催化还原CO2的活性,且在一定程度上提高了我们对H2O解离的作用和光催化还原CO2的转化机理的认识。（2）微结构设计策略调控了4’-（4-氰基苯基）-4,2’:6’,4-三联吡啶（4-terpy-CN）支持的CuI金属有机骨架（CuI-MOF）的微结构应用于光催化还原CO2研究:通过热回流法制备了CuI-MOF,利用活化操作调节其比表面积使具有多孔结构,首次应用于光催化还原CO2。活化后的CuI-MOF在8 h全光谱光照的条件下,CO产物选择生成率达到100%,CO产量为20.64μmol·g-1,是未活化的9.9倍。活化后的CuI-MOF比表面积和孔径明显增大,较高的比表面积(116.98 m2·g-1)和孔径(0.77 cm3·g-1)为光催化还原CO2反应提供了更多的活性位点。此外,根据表征结果得知,CuI-MOF具有良好的光吸收能力（200-800 nm）,适宜导带位置（-3.52±0.06 e V）,满足光催化还原CO2的还原电势。最后,通过原位红外揭示了光催化还原CO2可能的机理。该研究不仅展示了微结构设计策略提高了光催化还原CO2的活性,也证明了三吡啶配体配位的CuI-MOF在高活性/选择性光催化还原CO2方面的潜力。

关键词： 软木   轻质多孔结构   结构仿生   相似性原理   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： 废水处理   聚膦腈   刚/柔性骨架   微观结构   吸附性能  

摘要： 近年来，随着工业化进程的加快和人口数量的快速增长，大量废水被排放到环境中，由此引起的水体污染已成为世界性的环境挑战之一。水污染中最常见的污染物为有机染料、重金属离子、新兴有机污染物如抗生素、消炎药等，这些污染物具有生物累积性、顽固性、诱变性且不可被生物降解，若污染物长期存在于水体环境中将会对生态环境和人体健康造成严重危害。因此，从废水中去除这些污染物是非常必要的。目前已报道的去除污染物的方法有膜过滤、光催化降解、微生物降解、吸附法和化学沉淀法等，其中吸附法由于操作简单、成本低、效率高和回收性能好等优点成为目前最有发展潜力的处理方法。开发结构稳定、性能优异的吸附剂是吸附法研究的重点。聚膦腈材料由于其灵活的分子设计和突出的生物相容性，而广泛应用于生物支架、生物水凝胶、吸附等领域，但目前已报道聚膦腈基吸附材料普遍具有刚性结构，暴露的可用吸附活性位点数量较少，且大多呈粉体状态，这限制了其环境吸附应用。基于此，本文通过理性选择聚膦腈共聚单体，分别制备了含大量活性位点的刚性骨架聚膦腈材料和柔性骨架聚膦腈材料，并赋予其易分离功能，同时以重金属离子、有机染料和抗生素等为模型污染物，系统研究所制备吸附剂的吸附性能及吸附机制，并探索刚/柔性骨架聚膦腈的微观结构与其吸附性能之间的构效关系。主要的研究工作如下:　　(1)以六氯环三膦腈(HCCP)和3,5-二氨基-1,2,4-三氮唑为共聚单体，通过一步水热法制备了具有刚性骨架的聚膦腈吸附微球(HPTD),借助扫描电子显微镜、红外光谱、X射线衍射、氮气吸附解吸附曲线等对HPTD进行了结构表征，然后以水体中的重金属离子Cu(Ⅱ)为模型污染物，系统开展HPTD对Cu(Ⅱ)的吸附性能研究。结果显示HPTD对Cu(Ⅱ)的平衡吸附容量为98.95mg g-1,吸附过程符合准二阶动力学和Langmuir等温线模型。同时，借助X射线光电能谱(XPS)等分析手段，探究了HPTD对Cu(Ⅱ)的吸附机理。　　(2)以HCCP与四乙烯五胺(TEPA)为共聚单体，在室温下通过一步沉淀聚合，制备了一种具有柔性骨架的富氨基中空微胶囊HTCM,借助FT-IR、SEM等测试手段表征了HTCM的形貌和化学结构。然后以6种有机染料为研究对象，系统研究了HTCM在一元染料体系和阴/阳离子二元混合染料体系中的吸附行为，评价了HTCM对目标染料分子的吸附能力、吸附选择性、吸附热力学及吸附动力学。结果表明，在298.15K条件下，HTCM对甲基橙（MO）的平衡吸附量达到1009.66mg g-1,柔性链具有的可调变自由体积发挥了重大作用，阴离子染料MO对3种阳离子染料（亚甲基蓝、结晶紫和罗丹明B）的相对分离因子分别达到124.22、124.87和136.35,HTCM对MO的吸附速度较快，在30min内吸附量达到平衡吸附量的68.6％。HTCM对MO的吸附符合准二级动力学模型、粒子内扩散模型和Langmuir模型，其吸收过程是自发的吸热过程。通过对HTCM吸附MO前后的FT-IR和XPS分析，证实了HTCM吸附MO的机理包括静电作用和氢键作用。　　（3）为了赋予HTCM吸附剂磁分离性能，以硼氢化钠和氯化铁为原料制备了高磁性Fe-Fe2O3微粒，并在其表面包覆HTCM,成功制备了磁性复合材料（Fe-Fe2O3@HTCM）。然后以双氯芬酸钠（DCF）为目标污染物，研究了一系列影响因素（溶液初始浓度、溶液pH、温度等）对Fe-Fe2O3@HTCM吸附DCF的影响。结果表明，在298.15K温度下，Fe2O3@HTCM对DCF的平衡吸附容量为342.84mg g-1，吸附平衡时间为90min,吸附过程符合准二阶动力学和Langmuir等温线模型，吸附热力学研究表明该吸附过程是吸热的、自发的，证实了双氯芬酸钠和Fe-Fe2O3@HTCM之间的作用机理主要基于静电吸引和氢键作用。　　（4）以商业化三聚氰胺泡沫（MF）为载体，在其表面负载HTCM,成功制备了具有三维立体结构的富氨基复合材料（MF@HTCM）。通过电镜分析发现，MF表面上均匀包覆了HTCM涂层，此三维立体多孔结构极大的增强了MF@HTCM活性位点与污染物的接触可能性。然后以水体Cr（Ⅵ）为研究对象,开展MF@HTCM对Cr（Ⅵ）的系统吸附性能研究。结果表明，当pH=2时，MF@HTCM对六价铬的吸附量可达202.86mg g-1,吸附过程符合准二阶动力学模型及粒间扩散模型，粒子内扩散不是唯一的速率控制步骤;等温线模型拟合结果显示其吸附过程符合Langmuir模型，为单层吸附，热力学分析表明MF@HTCM吸附六价铬是自发的且是放热反应，MF@HTCM对Cr（Ⅵ）的吸附机理包括氢键作用、静电相互作用、还原反应及螯合效应。　　综上，本工作制备了多种刚/柔性骨架结构的聚膦腈基吸附剂，其对水体典型污染物如

关键词： 几何微结构   深度学习   生成式模型   功能梯度结构  

摘要： 微结构是指材料中非常小的尺度结构,在自然界和人工仿生结构中都广泛存在,其独特的设计理念和应用前景逐渐引起全世界的关注。通过在微尺度的晶胞内设计可密铺的几何微结构,并通过组装多个这样的几何微结构可以创建具有空间变化或功能梯度特性的机械超材料。因此,几何微结构的设计生成成为材料设计领域的一个重要问题。现有研究工作通过构建参数化模型来设计几何微结构单元,通过参数选择组合以及体积分数的调整可创建超过千种以上的几何微结构。数值优化方法也被广泛运用到设计具有所需特性的平铺微结构问题中,这些结构可以通过插值在一定的范围内平滑地改变材料特性,从而可以创建弹性随空间变化的结构。然而随着对微结构能实现更加复杂物理特性需求的渴望,如何设计满足指定物理特性的几何微结构以及在非周期性结构的设计中如何拼接相邻单元,如何进行物理模拟仿真验证等均使得设计过程的复杂性大大增加,成为基于参数化模型和拓扑优化等传统的设计方法难以解决的问题。使用数据驱动的方法为几何微结构的生成设计提供了新的思路,本文提出了基于VAE-GAN的生成式神经网络来生成设计新的几何微结构,通过将微结构几何约束与制造约束嵌入生成式神经网络的参数中,并使用生成式神经网络生成几何微结构并对结构进行连续插值,极大地拓展几何微结构的设计空间和性质空间。该框架利用深度学习中的自编码网络可以实现对不同参数域中的几何微结构进行特征提取,将几何微结构的形状和性质嵌入隐空间中,从而获得几何微结构的低维空间表示,实现在低维空间中对几何微结构的拓扑形状甚至性质进行设计与调整,大大降低了设计的复杂度。本文进一步探索了神经网络的生成能力,设计了基于隐空间的距离度量来探索微结构的分布,并构造插值路径实现针对具有不同拓扑的几何微结构间连续序列的生成,结果部分展示了性质平滑过度的几何微结构序列,并使用均质化理论对生成的几何微结构进行性质分析。相比由参数化设计模型控制生成的几何微结构,本文可以给出由任意参数模型生成的结构,或者是手工设计创建的微结构,通过神经网络的泛化能力即可获得任意两个几何微结构间的插值序列,而无需已知模型的生成参数,且针对具有不同拓扑、不同参数模型生成的结构,均能够实现插值任务,即获得连续的几何微结构序列进行功能梯度结构的设计,从而更快、更灵活、更高效地实现几何微结构的设计生成。

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。