摘要： 2020年,中国向国际社会做出"碳达峰""碳中和"郑重承诺,业内专家预计中国对新能源的利用将在"十四五"期间实现跨越式增长.在此背景下,国内学界继续将目标瞄准取之不尽用之不竭的绿色太阳能,力求有所突破创新.山东大学物质创制与能量转换科学研究中心教授、博士生导师高珂主要从事有机太阳能电池研究,在材料设计合成、形貌机理、光伏器件等方面取得了系列创新成果,被评选为国家高层次青年人才.

关键词： 分子动力学   气泡核化   纳米通道   纳米凹槽  

摘要： 通过分子动力学(MD)模拟研究纳米气泡的成核,以探究微结构耦合温度因素在仅由简单伦纳德·琼斯流体组成的三元(固体,液体,气体)系统中起到的作用。首先该模型揭示了静态流体中温度耦合结构影响下,纳米气泡的成核特征,其次研究了纳米气泡在动态滑移起到的作用。结果显示:首先温度对纳米气泡的成核以及高度具有显著影响,一定程度增加系统温度,促进了纳米气泡成核,然后高于一定温度时成核受到限制,同时纳米气泡高度随温度的增加而降低。其次纳米凹槽尺寸以及相对位置改变对于气泡成核具有重要意义。保持系统温度不变以及凹槽相对位置不变,逐渐增加凹槽深度时,气体更容易在凹槽内聚集从而形成气泡,并且气泡高度会随之减小;当仅增加凹槽之间相对位置时,纳米气泡的覆盖范围会被拉长,相应地,纳米气泡高度也会随之减小;另外,由于纳米气泡的存在,纳米通道内流体流动性能以及界面滑移现象也会发生改变。

关键词： ZnO纳米薄膜   磁控溅射   电子束蒸发   微观形貌及结构   光电性能  

摘要： 本实验分别采用射频磁控溅射法和电子束蒸发法在普通玻璃衬底上制备ZnO薄膜样品,并对样品的外观形貌、微观形貌及结构、光电性能进行测试和表征。测试结果表明,磁控溅射制备的薄膜呈透明状,薄膜平整致密,晶粒比较大,缺陷浓度比较少,薄膜中晶粒沿ZnO(002)晶面择优取向生长,薄膜可见光区透过率达88.74%,但薄膜导电性能比较弱,且薄膜生长速率也比较小。而电子束蒸发制备的ZnO薄膜呈棕黄色,薄膜晶粒比较小,缺陷浓度比较大,薄膜中晶粒沿ZnO(102)晶面择优取向生长,薄膜在可见光区的透过率只有29.16%,但薄膜导电性能和生长速率大大超过磁控溅射的薄膜样品。另外,磁控溅射的薄膜样品纯度比较高,而电子束蒸发制备的样品中容易混入坩埚成分的杂质。

关键词： 阻尼材料   变体积约束   等效模量   均匀化方法   Hashin-Shtrikman界限理论  

摘要： 阻尼复合结构的抑振性能取决于材料布局和阻尼材料特性.该文提出了一种变体积约束的阻尼材料微结构拓扑优化方法,旨在以最小的材料用量获得具有期望性能的阻尼材料微结构.基于均匀化方法,建立阻尼材料三维微结构有限元模型,得到阻尼材料的等效弹性矩阵.逆用Hashin-Shtrikman界限理论,估计对应于期望等效模量的阻尼材料体积分数限,并构建阻尼材料体积约束限的移动准则.将获得阻尼材料微结构期望性能的优化问题转化为体积约束下最大化等效模量的优化问题,建立阻尼材料微结构的拓扑优化模型.利用优化准则法更新设计变量,实现最小材料用量下的阻尼材料微结构最优拓扑设计.通过典型数值算例验证了该方法的可行性和有效性,并讨论了初始微构型、网格依赖性和弹性模量等对阻尼材料微结构的影响.

关键词： 高性能混凝土   低水胶比   复合胶凝体系   水化机理   微观形貌  

摘要： 为了明确高性能混凝土中复合胶凝体系的水化特性,推广高性能混凝土在水利工程建设中的应用,以水泥-矿渣-粉煤灰复合胶凝材料为研究对象,设置梯度结构低水胶比为0.2、0.25和0.3,采用胶砂强度测试、化学结合水量法以及扫描电子显微镜观测,分别研究了低水胶比对高性能混凝土胶凝体系力学性能、水化程度和微观形貌的影响规律。结果表明:水胶比的增加使体系力学性能呈线性下降,但粉煤灰矿渣复掺量为40%~50%时,能显著缓解水胶比增加带来的力学损失;粉煤灰矿渣复掺加大了复合体系后期的水化程度增长率,且在水胶比较高的体系中火山灰反应表现的水化正效应更显著;当水胶比为0.2和0.25时,化学结合水量与强度增长速率相近,而水胶比为0.3时,水化早期结合水量增长速率大于强度,而后期强度增长速率高于结合水量;降低水胶比会改变硬化浆体微观形貌,水胶比为0.2时,C-S-H形貌呈球状挤压在一起;水胶比为0.25时C-S-H呈层状结构层层堆叠;水胶比为0.3时C-S-H呈网格纤维状。

关键词： CdS   单晶钙钛矿   PbTiO_(3)纳米复合材料   光催化  

摘要： 为探究铁电表面对半导体氧化物结构和性能的影响,以单晶钙钛矿PbTiO_(3)纳米片为衬底,通过简单水热法调控CdS纳米晶的生长;通过成分设计,制备了一系列不同负载浓度的PbTiO_(3)-CdS纳米复合材料,并对其微结构和光催化性能进行了系统分析。结果表明:在所制得的产物中,CdS纳米颗粒选择性生长在PbTiO_(3)纳米片表面,其形貌受到PbTiO_(3)纳米片暴露面的影响,PbTiO_(3)衬底与CdS纳米颗粒之间具有清晰的界面;起始反应物浓度与水热反应时间也显著影响CdS的晶体形态。光催化研究表明,所制备的PbTiO_(3)-CdS纳米复合材料对10 mg/L罗丹明B水溶液具有显著的降解效应,随着CdS负载浓度的增加,其降解效率增加,其中质量分数3%的PbTiO_(3)-CdS样品在120 min内对10 mg/L罗丹明B水溶液的降解率可以达到72%。

关键词： 股骨假体   仿生微结构   多孔结构   有限元分析   应力遮挡  

摘要： 目前全髋关节假体性能与真实人体骨骼之间存在巨大差异,容易导致术后假体失稳,仿生微结构可有效解决由于应力遮挡引起的假体失稳问题。基于此,设计了新型仿生微结构股骨假体,以仿生结构(六面体立方、面心立方和体心立方单元结构)构建模型,模型之间保持相近的孔隙率(43%),进行有限元仿真模拟压缩试验,分析仿生微结构的变形、屈服应力、弹性模量等。研究发现,结构的等效弹性模量下降到24.0 GPa左右,与人体皮质骨17.0 GPa相近,其中体心立方结构最小,为22.2 GPa。在3种模型中,六面体立方的稳定性、刚度最强;体心立方的位移最大。研究表明,多孔仿生微结构能够降低弹性模量,改善应力遮挡问题,并对骨骼内生长具有促进作用。

关键词： 碲化铋   碳纤维   智能   水泥基材料   微结构  

摘要： 采用扫描电子显微镜和三维视频显微镜2种图像分析方法,研究了不同碲化铋掺入方式的碲化铋-碳纤维/智能水泥基材料微结构。研究结果表明,碲化铋微观形貌中呈近似圆形的薄片状,其加入水泥基材料能填充水泥基体孔洞,密实水泥基体结构。碲化铋因掺入方式的不同而分布于水泥基体中、分界面处或分界面两侧。碳纤维在整个水泥基材料在空间上形成连续导电网络。在水泥基材料中复掺碲化铋与碳纤维,弥补了单一增强体系的不足,可优化水泥基热电、导电等特性。

关键词： sustainable energy   ionic conductivity   solid-state electrolyte   Li-ion battery   finite element analysis   constitutive modeling of materials   micromechanics  

摘要： Electrolyte in a rechargeable Li-ion battery plays a critical role in determining its capacity and efficiency. While the typically used electrolytes in Li-ion batteries are liquid, soft solid electrolytes are being increasingly explored as an alternative due to their advantages in terms of increased stability, safety and potential applications in the context of flexible and stretchable electronics. However, ionic conductivity of solid polymer electrolytes is significantly lower compared to liquid electrolytes. In a recent work, we developed a theoretical framework to model the coupled deformation, electrostatics and diffusion in heterogeneous electrolytes and also established a simple homogenization approach for the design of microstructures to enhance ionic conductivity of composite solid electrolytes. Guided by the insights from the theoretical framework, in this paper, we examine specific microstructures that can potentially yield significant improvement in the effective ionic conductivity. We numerically implement our theory in the open source general purpose finite element package FEniCS to solve the governing equations and present numerical solutions and insights on the effect of microstructure on the enhancement of ionic conductivity. Specifically, we investigate the effect of shape by considering ellipsoidal inclusions. We also propose an easily manufacturable microstructure that increases the ionic conductivity of the composite electrolyte by 40 times, simply by the addition of dielectric columns parallel to the solid electrolyte phase.