关键词： 聚二甲基硅氧烷   微结构   海绵   超疏水   防/除冰  

摘要： 低温高湿环境下积冰与覆冰的发生和堆积,会给输电线路、复合绝缘子以及电力基础设施和运输系统造成高能耗或重大危害,引发严重的安全问题。本文主要从被动防冰和主动除冰两个方面来提高聚二甲基硅氧烷(PDMS)的抗结冰能力,其中被动防冰方面采用直接模板法在样品表面制备微结构,它可以减少水滴与表面的有效接触面积,降低冰的黏附强度,为了进一步加强防冰性能,还引入了可触发多尺度宏观裂纹的多孔结构使冰黏附力进一步大幅度降低。在主动除冰方面向PDMS中添加改性的磁性高效光热粒子碳纳米管(CNTs),在磁场下能够迁移到表层,提高光热效率,在近红外光照射下迅速发热除冰。(1)采用传统水热法制备了四氧化三铁(FeO)纳米粒子,利用聚膦腈(PZS)缩聚反应,成功制备了核-壳型聚膦腈包裹的四氧化三铁(FeO@PZS),最后负载碳纳米管,得到了改性的磁性高效光热粒子碳纳米管(CNTs/FeO@PZS),然后混入PDMS中,用直接模板法制备出表面具有阵列微结构的PDMS/CNTs/FeO@PZS磁性复合材料,其中模板涂覆有全氟硅烷(FDTS)的表面接触角(CA)为152°,呈现超疏水。在液滴高速冲击实验后,表面仍能保持较高的疏水性;在冰黏附力测试和结冰实验测试中,冰黏附力17k Pa,冻结时间11.5min,相变时间(液-固)230s,表面与液滴接触面积较小,长霜整齐,分布密度低,与平面PDMS相比,冰黏附力降低30%,冻结时间增加2.5倍,相变过程延长95s,结霜时间延迟6min。光热效应测试中,PDMS/CNTs/FeO@PZS表面温度随时间和内部磁性填料呈线性增长变化,20s内最高可达到250°C,磁场作用下成型的样品,效率额外会提高～40%,最高表面温度10s内可达到280°C,仅20s就能融化整个冰滴,即使损坏表面,光热效应的效率并没有随之降低。这种主动除冰和被动防冰的结合以及又可以避免涂层、润滑层致命的缺陷无疑是新一代抗结冰材料的需求。(2)柔性多孔聚二甲基硅氧烷(p PDMS)材料由于其相对较大的比表面积应用会更加广泛,本文提出了一种将离心和热压相结合的方法,能够快速大量生产表面具有微结构的高度互连的三明治状p PDMS海绵。作为最佳的牺牲模板可食用盐,通过这种方法在PDMS中重新排列,获得的高连通性孔有助于盐在3h内溶解,从而大大提高了整个制造过程的效率。微米级的截锥体结构和高度互连的孔结构相结合,使海绵表面的CA呈现153°,冰黏附强度低至6.78k Pa,实现了超低冰黏附力。为了评估CNTs对p PDMS/CNTs海绵的机械性能和光热效应的影响,进行了单轴拉伸、压缩试验、摩擦起电和光热除冰试验。对于p PDMS/CNTs(93/7)海绵,结果显示断裂伸长率高达161%,应力低至23k Pa,摩擦起电电压2.2V。此外,在808nm的近红外光照射下,其表面温度在10s内从25°C迅速上升至100°C,30s可以融化冰滴,实现了远程操控除冰,这种具有高韧性的超疏水和防冰/除冰海绵有望用在多功能柔性电子设备。

关键词： 微结构材料   神经诱导   器官芯片   脑类器官   神经工程  

摘要： 神经诱导是支持、重建、再生和更换受损神经细胞或组织的必要过程,在神经组织工程和再生医学领域具有重要研究意义。目前神经诱导工程化研究涵盖具备导电特性、拓扑形貌、微环境可调控等功能的生物材料和模拟胞外基质微环境对神经组织的影响等方面。迄今为止,研究领域已开发和构建了多种用于诱导细胞和组织的新型生物材料和微环境模拟,包括碳材料、光子晶体材料和微流控芯片等。本研究将生物材料的物理化学等方面特性与生物芯片技术相结合,基于器官芯片设计神经微结构材料并构建微环境体系用于神经诱导,最终在神经组织工程领域展开神经干细胞生长调控、仿生脊髓、脑类器官发育调节等应用。具体研究内容和方法如下:1)用于神经干细胞发育调控的聚多巴胺功能化碳纤维支架。制备具有导电性的三维网状碳纤维支架,以聚多巴胺修饰改善细胞生长的微环境,用于小鼠神经干细胞的生长诱导。结果表明通过聚多巴胺介导的导电性和粘性纳米纤维网可促进神经干细胞的粘附、组织化和胞间耦合,同时可诱导神经干细胞大量增殖并引起Ki-67因子高表达。细胞三维重构成像表明神经干细胞可深度蔓延至聚多巴胺-碳纤维支架内部,聚多巴胺功能化碳纤维材料诱导了神经干细胞的迁移。该复合材料通过改善组织结构、电活性和机械完整性构建等用途可作为多功能神经支架应用于体外研究和临床治疗。2)基于仿生蒸腾作用制备有序碳反蛋白石支架用于脊柱仿生。该脊柱仿生材料受植物蒸腾作用的启发,在溶剂蒸发后由毛细管中的胶体晶体自组装形成模板,再经高温碳化和酸刻蚀后形成有序碳反蛋白石材料。三维多孔结构材料具备良好的生物相容性,可加速诱导神经干细胞自我增殖和向神经元细胞定向分化,内部-外部互连结构及电刺激特性使仿生支架增加了神经细胞之间的连接和信息传递,极大促进了神经突触的生长发育并形成与体内相似的密集神经网络。该仿生支架具有促进神经组织再生和修复急性脊髓损伤的潜能,这些特性使之有望成为神经组织工程的替代支架。3)基于空间限域的脑类器官发育控制。构建具有微米尺度沟槽结构的体外芯片模拟体内早期胚胎发育时期的物理空间环境,该特殊装置通过为脑类器官提供一个扁平的微环境以诱导组织的定向发育。结果表明脑芯片中培养的脑类器官组织中前脑背侧标志物PAX6蛋白出现极性化分布,神经管的前体结构神经花环的数量显著减少且壁厚增加、管径增大,同时芯片诱导的脑类器官呈现出更复杂的脑皮层折叠。该脑芯片平台实现了神经极化诱导并形成具有较复杂时空模式脑类器官,促进了脑类器官在神经管发育、脑皮层折叠、区域极性化等方面的成熟。大脑区域特异性类器官芯片系统的这些特征使其在人脑发育模拟、神经系统疾病治疗和神经系统药物筛选等方面具有广阔的应用前景。本论文的研究工作主要以微结构材料和微环境控制实现神经诱导为目标,通过对碳材料、光子晶体材料和器官芯片的设计与开发,利用神经组织在发育过程中具的可塑性,实现了在神经工程前沿领域的诱导神经干细胞生长、可移植脊髓支架制备、脑类器官发育调节等神经应用,为中枢神经系统疾病治疗提供手段和平台。

关键词： 显微结构光投射系统   结构设计   微小物体   三维重构  

摘要： 结构光技术主要是利用具有特定几何特征的结构光光源照明物体，利用获得的经过物面调制的变形结构光位置或图像来实现物体三维形貌测量。结构光技术具有高效率、高精度、非接触等方面的优点。现有结构光投射系统投影模式单一，投影结构光图案及其属性较难根据测量环境的要求而灵活设置。本文提出了一种便捷式的显微结构光投射系统，在计算机端进行结构光图案的设计，可以自由编辑图案的结构、颜色、几何尺寸、运动模式、投射亮度、对比度等多种属性。设计了具有缩放功能的光路系统，能够输出10微米宽度的结构光光条。利用相机和显微镜头建立视觉系统，用于拍摄结构光的图案，通过结构光图案的分析实现3D形貌的重构。实验结果表明，这种系统能够投射较小特征尺寸的结构光图案，非常适合用于几十微米至几百微米高度的微小物体的3D形貌测量。实验结果表明，这种系统能够投射较小特征尺寸的结构光图案，非常适合用于几十微米至几百微米高度的微小物体的3D形貌测量。　　第一章绪论对显微立体视觉测量的研究现状以及特征投影方法进行了分析，同时阐述了本文的研究内容和意义。　　第二章讲述了系统设计的基本原理，包括基于结构光的显微三维重构测量原理以及激光三角测量原理，分别分析了直射式和斜射式激光三角测量原理以及他们的优缺点，最终确定本文系统设计选择直射式方式。　　第三章为系统设计准备阶段，通过设计不同的比对实验方案，最终确定选择长筒工业显微镜作为投影光路系统的显微组件，选择远心镜头组成成像系统。之后提出了显微结构光投射系统的设计指标。　　第四章从光学设计和机械设计两方面完成了系统的设计，并进行了相应的仿真，验证了系统设计的可行性。　　第五章通过理论计算和实验验证优化了系统设计中的重要参数，包括双光组间的距离以及成像系统倾斜角度。并且分析了属性可编辑式的必要性。

关键词： 有机闭孔绝热材料   细微结构   有效传输系数   动态热湿耦合   多目标优化  

摘要： 有机闭孔绝热材料是一种常见的低导热保温材料,然而当应用环境存在较高温湿度梯度时,材料内极易发生湿分渗透、冷凝和积聚的现象,影响系统保温保冷功能。传统热湿耦合过程的分析方法中,存在其有效传输系数难以确定,以及细微结构影响不明晰的问题。为解决上述关键问题,本文提出一种多尺度模型以确立有机绝热材料细微结构对其动态热湿传递过程的影响规律。本文首先利用Voronoi图划分法和四参数随机生长法构建了可描述有机闭孔绝热材料细微观结构的网格单元体。然后通过格子玻尔兹曼双分布模型分析了细微观结构对介观尺度有效传输系数的影响规律,并基于模拟结果构建数据库,运用神经网络算法实现从细微结构到介观尺度有效传输系数的模拟预测。进一步,将介观尺度有效传输系数引入宏观尺度动态热湿耦合控制方程,通过多尺度模型开展细微结构对动态热湿耦合过程的影响分析。最后,结合细微结构参数的影响规律,运用多目标优化方法以及折衷优化方法得到理论最优结构,以期为有机闭孔绝热材料的性能优化提供参考。基于本文研究的参数范围,发现:i)介观尺度有效传输系数中,在本文研究的参数范围内,总孔隙率对有效导热系数的作用强度(2.68)最大,总孔隙率及闭开孔体积比对渗透率的作用强度(1.38,1.66)最大,其他结构参数对有效导热系数(0.05～0.54)和渗透率(0.14～0.72)也有一定程度的影响,并且随着总孔隙率的降低,其他参数的作用强度逐步减小。ii)在动态热湿传递过程中,随着结构参数的增加,影响传热过程的主要影响因素为总孔隙率(13.4%～-8.9%),闭开孔体积比(9.6%～-5.8%)和平均孔径(-4.5%～7.8%)次之,相对偏移比(2.7%～-1.9%)最小。影响传湿过程的主要影响因素为闭开孔体积比(40.0%～-26.4%),总孔隙率(-6.3%～20.1%)次之,相对偏移比(4.9%～-3.8%)和平均孔径(6.2%～-7.3%)最小。以酚醛在冷库中的应用为例,总孔隙率一定时,改变其他结构参数主要影响传湿过程,并进而影响传热过程,且随着总孔隙率增加,其他结构参数对传热的影响整体可提升11.0%;iii)以热湿特性参数为目标函数,结合多目标优化和ε-约束法得到有机闭孔绝热材料最优结构为:总孔隙率越大越好,在0.95时闭开孔体积比控制在9左右,平均孔径为80μm～90μm,相对偏移比为0.2～0.3。

关键词： 纳米压印   振动辅助   微结构减反膜   填充率  

摘要： 微结构减反膜因为其特殊的光学特性,可以通过降低器件表面反射率来提高吸光率,进而被广泛地应用于光伏领域。在众多制备大面积的微结构减反膜的技术中,纳米压印技术是一种具有潜力的制备技术。纳米压印是利用机械力并配合着光学曝光的加工技术,由于这种加工方式的特殊性,其很容易造成微结构的破损从而影响微结构的精度。为了可以大面积制备微结构减反膜,并且保证微结构形状尺寸精度,本文提出一种新型的振动辅助纳米压印方法。通过在压印过程中,引入低频低幅的一维横向振动从而提高光刻胶的填充率以及微结构减反膜的表面均匀性。论文的主要研究内容包括:（1）阐述并说明振动辅助纳米压印方法的工作原理,并进行了振动辅助纳米压印装置的设计。基于微流动原理以及纳维斯托克斯方程建立在振动辅助条件下光刻胶的填充数学模型,从数学角度论证振动辅助纳米压印的合理性。依据振动辅助纳米压印的技术要求,研制出相配合的振动辅助装置。通过计算振动平台的放大比保证装置可以准确传递低频低幅的横向振动。同时,为了提高振动辅助压印过程中加工的稳定性,利用有限元仿真软件对振动辅助平台进行了模态与应力分析。（2）利用光学分析软件探讨微结构几何参数与表面光学性能的影响关系并对微结构几何参数进行优化。基于微结构反射的理论,探讨了微结构减反膜的工作原理。并基于有限时域差分法,研究了微结构几何参数（形状、结构高度、排列方式）与其表面反射效率的对应关系,明确了最佳微结构形貌。（3）运用宏观力学理论以及流变理论,研究加入振动后纳米压印材料的力学特性以及形变规律,揭示振动加入后的实际影响效果。从运动学角度,对建立的数学模型进行力学以及形变的数值分析,研究振动辅助纳米压印的合理性。运用有限元分析（FEA）法研究振动装置的主要性能（包括振动幅度、振动频率）对纳米压印成型效果的影响,分析振动参数对微结构表面质量和尺寸精度的影响规律,从而明确最佳振动工作范围。（4）进行振动纳米压印实验,通过对比的方式,从实验角度论证振动辅助纳米压印的合理性。以实验结果为基准,对实验之后的微结构表面进行几何检测和宏观功能性检测,讨论不同尺寸精度下的微结构减反膜的光学特性。

关键词： 机械超材料   正交组装   水平集方法   微结构  

摘要： 机械超材料作为一种人工合成材料,具有超常规的物理性能。拓扑优化是设计机械超材料的一种重要方法,对二维机械超材料微结构的优化设计已开展了大量研究,积累了丰富的研究经验,但三维机械超材料微结构由于构型复杂和设计维度增加,对计算工具的运算能力和效率提出了巨大挑战。本文以二维微结构正交组装构筑的三维微结构为研究对象,结合二维微结构与三维微结构等效力学性能的数值规律,提出一种通过优化二维微结构拓扑构型实现具有特定力学性能的三维微结构材料设计方法。主要研究内容如下: (1)研究两向正交与三向正交组装三维微结构模型,确立三维微结构与二维微结构等效力学参数的数值规律;(2)以二维等效力学参数为优化目标,构建基于参数化水平集方法的微结构优化模型,设计由二维微结构正交组装的具有特定负泊松比的三维微结构;(3)针对上述优化的三维微结构单元,结合数值模拟与样件试验研究微结构构型与特征尺寸对等效力学性能的影响。 本课题提出了一种三维微结构的设计方法将三维机械超材料微结构设计问题转化为二维微结构设计问题,设计了一类具有特定负泊松比的三维机械超材料,并揭示了微结构构型及特征尺寸对机械超材料力学性能的影响规律。本课题提出的微结构设计方法可高效地设计出具有目标力学性能的三维微结构,丰富了机械超材料设计理论的发展。

关键词： 钐钴基纳米复合永磁体   制备工艺   微结构   磁性能  

摘要： 高使用温度磁体目前主要为Sm2Co17型永磁，纳米复合技术主要应用于制备更高磁能积的新型永磁材料，在Nd2Fe14B基纳米复合磁体制备与研究中运用较多，但在新型高使用温度磁体的开发中并没有得到应用。本文主要采用化学辅助高能球磨法制备Sm2Co17基纳米复合永磁体，首先优化了单相Sm2Co17纳米磁粉的制备工艺，为复合磁体制备提供了良好的基体，随后研究了Sm2Co17/AlNiCo与Sm2Co17/MnBi双硬磁相纳米复合磁粉的成分与制备工艺对复合磁粉微结构与磁性能的影响，重点研究了复合磁体微结构与磁性机理的关系。研究内容如下：　　1.研究了Sm2Co17型磁粉磁性能优化和微结构调控。SmCox合金粉末样品的剩余磁化强度Mr、饱和磁化强度Ms、剩磁比Mr/Ms均随高能球磨时间延长而降低，而样品内禀矫顽力Hcj无明显变化规律。显微结构表明磁粉相结构未随Co含量与球磨时间发生改变，粉体整体表现为片状组织且随着球磨时间延长而变薄，粉末粒度也逐渐变细。由于微结构改变导致高能球磨1h磁粉交换耦合作用最强是其剩磁比Mr/Ms最高的主要原因。　　2.研究了粉料配比、球磨时间以及热处理对Sm2Co17/AlNiCo纳米复合磁粉体系影响。90wt%Sm2Co17/10wt%AlNiCo的复合磁粉为最优配比，磁性能最佳，延长高能球磨时间能有效改善复合磁粉的内禀矫顽力Hcj与饱和磁化强度Ms。微观分析表明复合磁粉Sm2Co17与AlNiCo保持独立相结构，且呈片状组织。复合磁粉内部以静磁相互作用为主导，AlNiCo发生调幅分解后会影响二者交换耦合作用强度，产生剩磁增强效应，经925℃热处理的复合磁粉剩磁优化最显著。　　3.研究了MnBi合金添加量对MnBi/Sm2Co17复合磁粉磁性能和微结构的影响。随着MnBi合金添加量的增加，复合磁粉的饱和磁化强度和剩余磁化强度均下降，内禀矫顽力先缓慢上升后保持在8.5kOe，但均低于纯MnBi磁粉的10.8kOe。粉体微结构表明，复合后磁粉MnBi相与Sm2Co17保持独立，MnBi含量的增加会阻碍Sm2Co17的细化过程，δM结果表明，15wt%MnBi复合磁粉剩磁比最高，较强的交换耦合作用是其关键原因。

关键词： Nd2Fe14B/α-Fe   纳米复合磁体   热轧变形   高压热处理  

摘要： 对于NdFeB基纳米复合永磁体而言,不仅拥有着非常高的理论磁能积,而且大大减少稀土元素的使用,因此引起了广泛的研究,但是现有工艺制备的磁体与理论预测的磁体性能之间有很大的差异,其主要原因是很难在软相含量大于20%的情况下获得硬磁相织构,基于此研究背景,本文在不同温度下对块体前驱物进行热轧变形实验,该方法获得的磁体的磁能积明显高于前驱物相同时使用真空退火工艺和高压热处理工艺制造的磁体。对热轧变形方法获得的磁体取得高性能的机理进行分析,具体内容如下:首先使用真空退火工艺,在温度为450℃到730℃时对前驱物进行退火处理,揭示了前驱物的相变过程:在450℃时,前驱物由非晶开始转变为α-Fe相+NdFe相;570℃时,NdFeB相开始出现,相组成为α-Fe相+NdFeB相+NdFe相;730℃时,NdFe相消失,相组成为α-Fe相+NdFeB相。随后将热轧变形性能最好的磁体和高压热处理的磁体进行对比研究,热轧磁体为各向异性磁体,磁各向异性比值为1.64,且具有(00L)晶体学织构,(004)和(220)晶面的峰强比是221%,高压磁体为各向同性磁体,(004)和(220)晶面的峰强比为105%,硬磁相取向要明显弱于热轧磁体;热轧磁体中只含有α-Fe相和NdFeB相,相含量分别为32.8%和67.2%,高压热处理磁体中含有α-Fe相、NdFeB相以及NdFe相和NdFe相等非磁性相,相含量分别为31.3%、47.9%、8.3%、10.7%;热轧变形磁体获得最大磁能积为21.9 MGOe,比高压热处理磁体的13.8 MGOe高约59%,矫顽力为5.3 k Oe,比高压磁体的4.2 k Oe高约26%,剩磁为10.6 k G,比高压磁体的10.2 k G高约3%。本文分析了热轧变形工艺取得高性能的原因有两点:首先热轧变形能够实现非晶合金的高应力和大应变的热塑性变形,从而促进硬磁相纳米晶晶粒的取向生长;其次,热轧变形是一个快速的变形过程,可以跳过NdFe相和NdFe相等非磁性相的形成区间,去除杂质相的干扰,使得软硬两相交换耦合作用良好。