关键词： 太赫兹   超材料   吸收器   传感器   传感特性  

摘要： 太赫兹波段以其低能量、穿透性强、相干性好、响应速度快、宽带宽和独特的光谱特性受到广泛关注,并在雷达通讯、安全成像、生物医学和传感监测等多个领域展现出巨大的应用潜力。而超材料作为一类具备特殊电磁属性的人造材料,在生物传感和安全检测等方面具有显著潜在应用价值。基于此,本文设计了太赫兹波段的超材料吸收器和传感器,并研究分析了超材料器件的吸收特性及传感特性。 首先,提出了一种偏振不敏感双频段太赫兹超材料吸收器,该吸收器采用了顶层金属结构-中间介质层-底层金属连续层的经典复合结构。仿真结果表明,该吸收器在太赫兹波段产生了两个完美吸收峰,分别位于0.898 THz和1.200 THz,且在横向电(TE)和横向磁(TM)偏振模式下吸收率均超过99%。该研究还分析了结构参数对吸收性质的影响,并验证了所设计吸收器的偏振不敏感性和宽角度吸收能力,这一特性将在实际应用起到重要作用。此外,进一步在超材料吸收器表面附加不同折射率的分析物进行仿真,分析了其传感特性。 接着,本文研究还设计了一种基于非对称金属SRR(分裂环谐振器)柔性太赫兹超材料生物传感器。通过有限积分法仿真,并优化了传感器的结构尺寸。然后在其表面覆盖了一层分析物,通过改变分析物的折射率,获得了相应的透射光谱,并计算出传感器两个共振峰的折射率灵敏度分别为139.9 GHz/RIU和164.1GHz/RIU,且FOM值分别为1.9和6.1。为了进一步探索该传感器在生物检测领域的实际应用,通过对宫颈癌与健康细胞进行了仿真模拟,结果显示两个共振峰识别宫颈癌细胞的灵敏度分别为125.0 GHz/RIU和166.7 GHz/RIU,证实了该传感器在区分宫颈癌细胞和健康细胞方面具有高灵敏度。

关键词： 水泥基材料   复合涂层   微结构设计   界面调控   功能化纳米颗粒   协同防护   自愈合功能  

摘要： 水泥基材料的耐久性能直接关系到滨海地区混凝土结构的安全性与长期可靠性。利用聚合物涂料对水泥基体进行表面防护能够有效提升胶凝材料的耐久性能与表层力学性能,具有可调控性强、防护效果显著、施工便捷与成本低廉等显著优势。苯丙（苯乙烯-丙烯酸酯）聚合物乳液与聚硅氧烷乳液是两种应用最为广泛的聚合物涂料,它们能够分别通过表面成膜-物理屏蔽作用与内部渗透-结晶疏水作用,抑制各种侵蚀介质对水泥水化产物晶体结构的损伤破坏。通过制备苯丙-硅氧烷复合聚合物涂料,能够实现两种聚合物组分的优势互补,并形成对水泥基材料的双重防护机制。然而,由于苯丙聚合物与聚硅氧烷在分子结构、流变行为、化学性质以及合成途径等方面存在着较大差异,苯丙-硅氧烷复合防护涂料的制备始终面临着巨大的挑战。针对苯丙聚合物与聚硅氧烷界面相容性与物理稳定性差的难题,本文基于微结构梯度化设计理论与聚合物界面化学特性调控理论,设计并制备了相应的具有梯度化结构的苯丙-硅氧烷复合功能乳液。通过对聚合物涂层与胶凝材料的微观表征,揭示了梯度化结构设计与界面调控下苯丙-硅氧烷体系对水化产物微观结构的作用机理。通过对复合涂层作用后水泥基材料耐久性能的综合评估,验证了微结构界面调控对多相聚合物涂层防护性能的提升作用。本文主要研究内容与结论如下: （1）为增强苯丙聚合物与聚硅氧烷的界面结合作用,基于“硬核软壳”的设计思路,设计并制备了以苯丙聚合物为核、聚硅氧烷为壳、复合交联剂为过渡层的核壳结构。核壳结构中交联剂分子的桥接作用使得核壳聚合物的接枝率达到86.7%以上,并且呈现出优越的物理与化学稳定性。具有高核壳比的核壳涂层能够使混凝土静态毛细吸水率与盐溶液侵蚀率降低97%以上,并显著抑制了侵蚀环境下Friedel盐、钙矾石和石膏晶体的形成。当核壳比为1:1时,核壳涂层的抗拉强度与断裂伸长率能够分别达到3.8MPa与340%,并达到Ⅰ级的粘结等级与抗物理磨损性能。 （2）为增强核壳聚合物组分间的界面相容性以及颗粒形态的可调控性,基于Pickering结构调控方法,设计并制备出了两种由氧化石墨烯调控颗粒界面结构的苯丙-硅氧烷Pickering结构。在氧化石墨烯的界面调控作用下,核壳聚合物的接枝率可以提高到89.7%。当氧化石墨烯界面位于核壳结构中间过渡层时,核壳聚合物具有最优的界面化学特性,其抗渗性能与抗离子侵蚀性能有了进一步提升。氧化石墨烯调控下Pickering涂层呈现出了更加稳定的界面力学性能,能够有效地抵御酸碱腐蚀与老化作用下核壳聚合物分子的降解与界面粘结失效。 （3）为改善多相聚合物组分在核壳结构中的微相分离状态,基于主-客体聚合物分子理论,设计并制备了由功能化纳米颗粒调控界面相互作用的苯丙-硅氧烷互穿聚合物网络（IPN）结构。IPN结构中的苯丙-硅氧烷链间通过缠结锁定与非键相互作用相结合,具有显著的微相分离特性与触变性能。功能化Si O2纳米颗粒提高了主-客体聚合物组分的界面链段缠结锁定水平,使得微相分离状态下复合涂层具有优越的防护性能。纳米改性IPN涂层内部存在大量的强氢键作用,其优越的流变特性能够实现对开裂混凝土稳定的表面防护作用。 （4）为增强多相聚合物组分的界面结合作用,实现复合涂层界面力学性能的全面提升。基于拓扑网络界面优化理论,在IPN结构的基础上,设计并制备了以功能化Si O2纳米颗粒为交联中心的苯丙-硅氧烷嵌段与接枝共聚网络结构。功能化纳米颗粒诱导苯丙-硅氧烷复合聚合物体系形成了高交联网络结构,呈现出了典型的宾汉姆流体特征。纳米改性共聚涂层的拉伸强度与粘结强度分别达到了4.85MPa与3.3MPa,磨损系数降低到了0.14g/1000r,显著提高了水泥基体的表面力学性能。拓扑结构界面调控后共聚涂层具有了优越的可逆弹性变形恢复性能。 （5）综合前文四种微结构梯度化设计与界面调控方法,利用双亲性Janus颗粒的自组装结构界面诱导机制,通过向核壳聚合物引入相应的愈合剂组分,设计并制备了具有自愈合功能与微裂缝修复功能的苯丙-硅氧烷自组装核壳结构。自组装梯度结构实现了复合涂层动态力学性能、热动力学响应特性与形状记忆性能的显著改善。自愈合涂层不仅能够在损伤位置形成大量的聚合物团状胶体,通过桥接作用与填充作用修复损伤的聚合物网络结构,维持较高的粘结性能与抗侵蚀性能,还能够通过连续的吸附沉积作用填充水泥基体中的微裂缝,并增强复合聚合物涂层的界面结合力。

关键词： 大米蛋白   米糠蛋白   淀粉纳米晶   气泡   蛋白膜  

摘要： 近年来,开发环境友好型生物基材料是界面主导型食品领域的研究热点。食品组分（蛋白质和多糖等）常通过改变多相界面性质（起泡、成膜、乳化、凝胶等）、控制界面膜的形成等实现对界面主导型食品体系的理化特性的调控。其中,食品工业中常常利用蛋白质和多糖之间的协同相互作用并将其广泛应用于提升生物聚合物的功能特性。气泡食品因存在大量的气液界面,为消费者提供了视觉美学刺激和丰富味觉质感,同时满足了消费者低热量的饮食需求,因此开发兼具良好起泡性能和气泡稳定型的材料势在必行。在食品保鲜薄膜中,开发可生物降解性和可食用性的生物质膜既满足了人们对食品安全和健康的追求,又有利于环境的保护和可持续发展。本论文通过阳离子交换树脂（CERs）改善大米蛋白（RPs）和米糠蛋白（RBPs）的分散性,探究稻米蛋白与淀粉纳米晶（SNCs）的相互作用,并利用复合结构（RP@SNCs和RBP@SNCs）开发了稳定的气泡和蛋白复合膜。具体研究结果如下: 首先,探究了RP@SNCs和RBP@SNCs中蛋白与淀粉纳米晶之间的相互作用机理。透射电镜结果显示,蛋白质纳米颗粒分散在SNCs聚集体中,表明SNCs对RPs和RBPs具有促分散作用;原子力显微镜表明,SNCs能够提高复合物的机械刚性;荧光光谱和傅里叶红外光谱表明,RPs和RBPs与SNCs通过氢键作用发生结合;表面张力结果表明,随着复合物中SNCs比例的增加,表面张力减小,Kdiff值增大,说明颗粒由溶液到空气-水界面的吸附速率增加。这表明复合物具有良好的界面性质,是良好的起泡和成膜材料。此外,RP@SNCs表现出比RBP@SNCs更高的复合物稳定性和界面扩散能力。 其次,研究了SNCs比例以及复合物浓度对RP@SNCs和RBP@SNCs的起泡性能的影响,制备出具有两亲性的气泡。通过光学显微镜、激光共聚焦显微镜以及冷冻电镜观察气泡界面和气泡本身结构,结果表明,复合物均匀分散在气泡溶液中。蛋白质纳米颗粒执行扩散行为,以形成双相界面结构,而亲水性SNCs更多地留在水相中以提供空间位阻。当SNCs:RPs（w/w）=0.8,SNCs:RBPs（w/w）=0.8时,5%的RP@SNCs和5%的RBP@SNCs稳定的气泡可以在7 d内保持稳定,其中RP@SNCs的气泡稳定性达到73%,而RBP@SNCs为54%。 最后,通过研究SNCs、苹果酸（MA）、肉桂醛（Cin）的添加量对大米蛋白-淀粉纳米晶复合薄膜性能的影响,制备出性能优异的亲水性抗菌薄膜。结果表明,SNCs:RPs（w/w）=0.2,MA含量为2%,Cin含量为1.2%时,肉桂醛-苹果酸-大米蛋白-淀粉纳米晶复合薄膜（Cin-MA-RSFs）具有良好的机械性能。Cin-MA-RSFs表现出良好的抗氧化能力,并对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均显示出明显的抑制作用。将此薄膜应用于新鲜草莓和无花果的贮藏中,可将贮藏期从小于3 d延长至7 d。 综上,RP@SNCs和RBP@SNCs具有良好的界面性质,是制备气泡食品和植物基保鲜薄膜的良好基材。通过调节SNCs比例和复合物浓度,能够使气泡具有更完整的界面和更致密、有序的空间结构,以及优异的贮藏稳定性;MA和Cin的添加使得复合薄膜具有更为致密光滑的微观结构、优异的机械性能和显著的抗氧化能力及抑菌效果。以上研究拓宽了蛋白-多糖复合物在界面主导型食品体系中的应用范围。

关键词： 非均质材料   介电击穿   有限元法   神经网络   储能密度  

摘要： 近年来,随着能源工业和电子电力技术的发展,人们对具有超快充放电速度的高性能介质电容器和高能量密度介质电容器的需求不断上升。然而,由于非均质材料较低储能密度,限制了电介质电容器的商用范围。非均质材料的不同微观结构特征从很大程度上影响了其击穿场强,导致了较低的储能密度。针对非均质材料的结构与储能的关联问题,本文从相对定性到定量的角度,完成了基于维诺图的晶粒介电模型、晶粒生长与介电击穿的耦合模型的搭建以及基于神经网络的晶粒结构特征提取等相关研究工作。并根据相关仿真的结果,分析研究了非均质材料微观结构与储能的关联机制。研究内容和结论如下: (1)首先,为了研究非均质材料微观晶粒结构对储能特性的影响,本文基于维诺图结构提出了一种模拟相变过程的方法。通过一系列的维诺图结构生成不同晶粒结构以及晶界大小的非均质模型,并将其分为两个相变阶段进行讨论分析。接着将该方法得到的非均质模型结构与介电击穿模型的相场相耦合,探讨微观结构对储能特性的相关机理。通过模拟模型,研究了不同微观结构对相变过程中击穿特性的影响。模拟结果表明,非均质材料在非晶多晶转变过程中具有最佳的储能性能,对于非线性的非均质材料,当结晶度为13.96%,晶粒体积分数为2.08%时,储能密度达到最大。 (2)其次,为了厘清具体的晶粒结构演化过程对非均质材料储能特性的影响,本文提出了一种晶粒生长模型与介电击穿相场模型的耦合方法。通过该方法探究非均质材料在具体物理过程中的结构演化以及其对储能特性造成的影响。此外,本文还提出了一种击穿检测方法,以缩短模型的计算时间。结果表明,在晶粒生长过程中,击穿场强存在局部极大值,导致储能密度出现局部极大值。结果表明,晶粒尺寸和分布对介质击穿强度和最终击穿路径有显著影响。该模型也适用于各种介质,为高储能材料的设计提供了指导意义。 (3)最后,为了让模型仿真的效果更贴近真实情况,本文提出了一种基于神经网络模型的方式对非均质材料的微观晶粒结构轮廓进行提取的方法。文章一开始阐述了使用传统图像处理的方法对晶粒轮廓进行分割提取的方案并分析了其相应的缺陷和弊端。然后采用基于Unet神经网络模型的方法对非均质材料的晶粒轮廓进行提取并设计了相关的优化调整策略。此外,本文采用了一种基于样本权重的交叉熵损失函数,用来解决样本中遇到的不平衡问题,并对比分析了不同损失函数达到的训练效果。最后通过提取出来的晶粒轮廓,搭建了与实际材料结构一致的非均质材料模型。该模型可以用于对具体材料结构的模型进行介电击穿分析,为相关材料仿真提供了一种新的方法和思路。 综上所述,本文从定性到定量的角度依次探究了非均质材料晶粒结构特征,非均质材料的具体晶粒生长过程对其储能特性的影响以及通过神经网络模型提取具体晶粒微观结构建立与真实材料对应的非均质材料模型。为探究非均质材料的最优储能结构提供了一种可借鉴的方法和研究思路。