关键词： 波导耦合   光学超晶格   相位匹配   非线性光学效应   非互易效应   时间反演对称效应   非线性成像   全息编码  

摘要： 非线性光学主要研究光与材料之间的相互作用,从而实现一些特殊的光学功能,例如利用频率转换实现多波长激光的调谐;利用非线性光学效应进行成像及光信息处理等等。随着光学功能的集成与器件的小型化要求越来越高,天然材料难以满足科技发展需求,因此关于人工微结构材料的研究得到了迅速发展。光学超晶格是一种可实现多种非线性光学效应的人工微结构材料。随着微加工制备技术的不断改进,周期、准周期、非周期超晶格结构的理论和应用越来越成熟。本文围绕非线性光学中相位匹配、光场调控、成像等几个重要应用目标,基于微结构材料开展相关研究,论文的创新点和主要内容如下:(1)将非线性光学与导波光学相结合,利用波导之间的耦合实现相位匹配并提出了一种简单的波导结构设计方案来实现三次谐波的高效输出。通过求解在波导中传输的三次谐波耦合方程组,分类讨论了不同相位匹配条件下三次谐波的振幅解析解。我们发现如果满足倍频与和频双匹配条件,则三次谐波的振幅将随着传输距离的二次方增长,如果只有和频过程满足相位匹配条件而倍频不匹配的话,三次谐波的振幅将以传输距离一次方形式增长。在此基础上我们提出了一种高转换效率的波导结构设计方案,通过同时调节波导宽度以及波导之间的距离来实现双匹配,是一种简单方便的实现相位匹配的方法。(2)研究一维带缺陷光学超晶格结构在非线性光束整形、光场调控等方面的应用,重点研究了基于结构设计实现非线性非互易效应及时间反演效应。这两种新型非线性光学效应的研究为光隔离器,光吸收器及光整流器等器件的研制提供了新的思路。在非线性非互易效应方面,通过解析求解一维带缺陷结构的倍频耦合方程,讨论了这个结构的非互易性质并给出了非互易量的解析解。在解析解的基础上,我们提出了一种获得任意非互易量的晶体结构设计方法。在非线性时间反演对称效应方面,我们设计了两种超晶格结构实现时间反演,分别是相位失配量相等和互为相反数的情况。在这两种结构中,除了时间反演效应之外还存在一种完全互易性。此外,除了两段式结构,时间反演效应还被推广到任意多段级联结构中。(3)提出一种新型的非线性成像原理,在成像过程中衍射效应得到了很好的抑制,能够用来直接并实时地观测二维不规则铁电畴结构。这种基于二次谐波的观测方法具有许多独特的优势,比如简单、稳定、无损、高分辨率,具有很高的应用价值。利用铁电畴畴壁在非线性成像过程中的特殊衍射性质,从解析求解和数值计算两方面分析了单一畴壁结构的倍频菲涅尔衍射情况。我们发现畴壁在倍频过程中始终呈暗场像,其倍频像的线宽在一定区域内与传输距离的平方根成正比,降低了成像过程中的衍射效应。在此基础上,我们将单一畴壁结构推广到复杂的不规则畴结构,进一步通过仿真模拟和实验验证了二次谐波成像过程中畴壁的近似无衍射性质。(4)通过对非线性计算全息理论的研究,提出一种超晶格结构设计新型编码方法,用来实现高质量、高分辨的非线性全息成像。我们称之为准多值化编码方法。通过对准多值化方法的傅里叶谱分析解释了这种编码方法的原理。在理论计算中发现相比于传统的二值化方法,无论光束是沿着极化方向传输还是垂直于极化方向传输,准多值化编码的方法对衍射峰的抑制作用更强,与之相对应的是成像线条更精细,细节更清晰。通过实验上观测图像轮廓进一步验证了准多值化编码在成像领域的优势:有效降低次级衍射,提高成像质量,为实现非线性高分辨成像提供了可能。

关键词： 二硫化钼   微结构调控   吸附性能   复合电极   电化学性能   电催化  

摘要： 二硫化钼(MoS)是一种典型的过渡型金属硫化物,其晶体结构为六方层状结构,层间通过范德华力结合,层内由共价键结合,层表面存在大量的悬空键。这种特殊的类石墨烯似的层状结构和独特的物理化学性质,近年来受到了国内外的广泛关注。作为一种特殊的无机功能材料,材料的性能与它的尺寸、形貌、结构等密切相关。因此,实现制备与调控二硫化钼的形态和结构,并探讨它们与性能的关系是该领域重要的研究方向之一。本论文采用水热法合成了三种不同形貌的纳米MoS,利用SEM等微区分析技术系统考察了不同条件对产物MoS形貌与结构的影响。实现了不同形貌MoS的微结构调控,并对其形成机理进行了分析与探讨。在此基础上,以亚甲基蓝模拟废水为对象,分别考察了它们的吸附性能、吸附动力学及电催化降解性能,从而为纳米二硫化钼进一步研究打下了良好的基础。本论文主要分为以下四个部分。第一章:绪论部分。本章在介绍二硫化钼结构和性质的基础上,重点论述了二硫化钼制备方法、应用及国内外的研究进展。第二章:不同形貌二硫化钼的制备及微结构调控。在水热体系中分别制备了球花状、环状、花簇状结构二硫化钼。系统考察了钼硫比、pH值、温度、反应时间、表面活性剂等因素对其微结构的影响。获得了合成不同形貌二硫化钼最佳条件和微结构调控方法。第三章:不同形貌二硫化钼的吸附性能研究。以亚甲基蓝染料模拟废水为吸附对象,对比研究了球花状、环状、花簇状二硫化钼的吸附性能,并利用吸附动力学和热力学理论对二硫化钼的吸附机理进行了初步讨论,探讨了结构与性能的关系。第四章:负载型纳米MoS复合电极的制备、微结构及性能研究。以泡沫镍为基底,采用一步水热法成功制备了MoS负载型复合电极,分别考察了电极的电化学和电催化降解性能,并且对电催化机理和电催化动力学进行了探讨。

关键词： Design approach   durability properties   interfacial transition zone   manufacturing principles   mechanical properties   ultra-high-performance concrete  

摘要： Concrete being the most-commercialized construction material, plays an indispensable role in the performance of many industrial, commercial, military, and residential structures. Hence, the evolution in the quality of concrete lead to the development of one of the most efficient and beneficial type, namely ultra-high-performance concrete (UHPC). In this article, a comprehensive literature review has been conducted to highlight the manufacturing principles and properties of UHPC. The affluent production of UHPC depends upon its compositional materials, water-to-binder ratio, and the mix design approach. This review also divulges that the curing conditions, aggregates and fiber properties, specimen size and the strain rates are the key factors in controlling the mechanical and durability properties of UHPC. Moreover, along with its various properties, attempts have been made to address the current challenges and their solutions so far, for their widespread economical usage.

关键词： 石墨烯   多孔碳   碳纳米管   微纳结构   吸波材料  

摘要： 电磁波吸收材料能够将入射的电磁波转化为热能等其它形式能量耗散,从而使其强度衰减的一类功能性材料。碳纳米材料(包括石墨烯、碳纳米管和多孔碳等),具有优良的导电性、易于调控的介电性质,可以作为其它材料载体,成为近年来吸波材料研究的热点。但碳纳米材料因阻抗不匹配或电磁损耗不足,吸波性能尚且达不到应用需求。为了提高碳材料的微波吸收性能,本文从提高电磁损耗,改善阻抗匹配的角度出发,构建了不同表面修饰碳纳米管、ZnO@多孔碳核壳结构、CoZnC纳米粒子/多孔碳、具有不同微观结构的ZnO/石墨烯复合材料。通过调控不同复合材料的微观结构特征研究了复合材料成分比例、石墨化程度、界面面积、微观结构以及表面官能团等主要因素对于碳纳米材料介电性质、阻抗匹配特性和微波吸收性能的影响。对比研究碳纳米管的表面状态对其电磁参数、阻抗匹配和微波吸收性能的影响。通过强酸处理在多壁碳纳米管表面引入了官能团和缺陷,同时水热处理原位合成纳米FeO修饰的碳纳米管。发现碳纳米管表面官能团和FeO能够通过降低材料电导损耗、增加极化损耗,来调节材料的介电常数,提高材料的综合微波吸收性能。其中,FeO表面功能化碳管的最大反射损失在20 wt%时达到-53.3 dB,最大吸收带宽达到5.2 GHz。构建壳核结构多组分复合材料以提高阻抗匹配特性和微波吸收性能。以原位晶体生长的ZnO胶体为核和双层沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIFs)为壳,通过调节反应物的浓度获得了均匀的ZnO@ZIF核-壳结构,退火后,双层ZIFs涂层热解形成负载CoZnC纳米颗粒的N掺杂多孔碳壳。ZnO@多孔碳/CoZnC核壳微球增加了界面损耗、磁性损耗等损耗机制,并提高了阻抗匹配,与单一ZnO及由ZIFs热解的多孔碳相比具有更优异的电磁波吸收能力,当样品厚度为2.2 mm时,反射损耗可达到-62.9 dB,有效带宽为5.5 GHz。为研究纳米碳材料的石墨化程度,界面面积对电磁参数、阻抗匹配特性和微波吸收性能的影响。通过添加Co和Zn金属离子制备ZIFs,进一步热解合成了多孔碳/CoZn合金纳米粒子复合材料。通过增加反应物中Zn和Co的摩尔比,降低多孔碳石墨化程度和增加多孔碳的比表面积。而Zn含量提高到一定程度,比表面积反而因石墨化程度不足快速下降。复合材料的介电常数会随比表面积的增加而增加。具有中等比表面积和石墨化程度的BM 0.2样品显示出最优异的电磁波吸收特性。当样品厚度仅为1.5 mm时,其最小RL可达到-53.2 GHz。最小反射损失在样品厚度为4.5 mm时为-59.7 dB,样品厚度为2.0 mm时的最大有效带宽为5.3GHz。复合材料的微波吸收性能比单一金属ZIFs热解的碳材料有显著提高,这归因于多孔碳中丰富的碳-空气界面增强的界面极化,以及因复合磁性金属离子提高的阻抗匹配的协同作用。基于以上表面改性和微纳米构造提高复合材料吸波性能的机制、原理及优势,进而通过在有机溶剂中原位生长及热处理的方法构建了ZnO纳米晶/石墨烯复合材料,研究了不同质量分数(5、10、15、20 wt.%)的ZnO纳米晶/石墨烯复合材料的微波吸收性能。发现15wt.%的ZnO纳米晶/石墨烯复合材料具有最优异的微波吸收性能,最小反射损耗在15.2 GHz时达到-54.2 dB,有效吸收带宽达到6.7 GHz,优化样品厚度仅为2.4 mm。由于石墨烯阻抗匹配的提高,其吸波性能相比纯ZnO纳米晶和纯石墨烯有很大程度的提高。为了进一步解决ZnO纳米晶/石墨烯复合材料的团聚问题,通过在水溶液中原位生长和热处理的方法合成了微米花/纳米晶ZnO修饰的石墨烯,使ZnO纳米晶体均匀分散于石墨烯片层上,而ZnO微米花穿插在石墨烯片层中。通过改变反应物的浓度,获得不同ZnO和石墨烯质量比(9:1,8:1,5.5:1,2:1)的复合材料。发现复合材料的介电常数实部和虚部随ZnO质量分数的降低而增加。质量比为8:1时样品显示出最突出的微波吸收特性,最小反射损失在样品厚度4.5 mm时达到-77.5 dB,最大有效带宽在样品厚度为3.5mm时达到6.9 GHz。

关键词： 磷酸三钙支架   表面微结构   破骨细胞   整合素信号通路  

摘要： 目的:课题组前期通过发泡法和控制烧结温度得到的具有不同表面微结构的β-TCP材料,测定其表面粗糙度参数,探讨材料表面粗糙度对破骨细胞整合素信号通路中相关标志物表达水平的影响。方法:1、SEM电镜下观察制备材料的微观表面形貌。2、AFM原子力显微镜下扫描材料表面微结构,并利用NanoScopeAnalysis1.5软件计算得到材料表面Ra值、Rq值及Rmax值。3、破骨细胞的培养:小鼠RAW264.7细胞系在50ng/ml RANKL诱导下分化为破骨细胞,TRAP染色鉴定为破骨细胞。4、RAW264.7细胞与不同表面粗糙度的TCP材料共培养,并以塑料培养板为空白对照,加入50ng/ml RANKL诱导破骨分化,利用q-PCR技术检测各组在共培养7天后TRAP、ITGαV、ITGβ3、Pyk2、p130的表达水平。结果:1、SEM实验:扫描电镜下观察TCP1表面光滑孔隙小;TCP2孔隙略大,表面较为粗糙;TCP3孔隙最大,表面粗糙,可见大小不一的圆孔结构。2、AFM实验:原子力显微镜下结果显示TCP1表面光滑,TCP2表面较粗糙,TCP3的表面很粗糙,各组材料测定的Ra值分别为32.3nm、87.2nm、138nm;Rq值分别为39.9nm、116nm、175nm;Rmax值分别是260nm、1211nm、1292nm。3、RAW264.7细胞培养及破骨分化鉴定:在50ng/ml RANKL诱导下,通过TRAP染色观察到培养的第4天即可见到破骨细胞形成,在培养的第7天破骨细胞分化达到高峰期。4、共培养第7天TRAP的表达:共培养第7天后,TRAP的表达水平在TCP1与TCP2组之间、TCP3与空白对照组之间无明显差异(P>0.05),在TCP1组与TCP2组的表达水平低于TCP3与空白对照组(P<0.05)。5、共培养第7天ITGαV的表达:在粗糙度不同的三种TCP材料中,ITGαV的表达水平不同,表面粗糙的TCP3材料中表达水平比略粗糙的TCP2高,TCP2比光滑的TCP1高,且均高于空白对照组,三组材料之间有显著差异(P<0.05)。6、共培养第7天ITGβ3的表达:TCP2及TCP3组中,ITGβ3的表达水平明显高于TCP1组及空白对照组(P<0.05),而TCP2与TCP3之间、TCP1与空白对照组之间无明显差异(P>0.05)。7、共培养第7天Pyk2的表达:TCP材料组Pyk2表达水平均低于空白对照组,且各组TCP材料之间的表达水平有显著性差异,Pyk2的表达水平在TCP3组最高,在TCP1组最低,TCP2的表达水平在TCP3与TCP1之间(P<0.05)。8、共培养第7天p130的表达:TCP组材料的表达水平低于空白对照组,且各组间的表达有差异,在粗糙表面的TCP3材料组,p130表达最高,TCP2次之,在光滑的TCP1组表达最低(P<0.05)。结论:课题组制备的不同规格的TCP材料通过进一步检测,具有明显不同的表面特征,并显示材料表面粗糙度影响破骨细胞的分化以及整合素信号通路上相关因子的表达,在一定范围内,材料表面越粗糙Ra值越大,TRAP、ITGαV、ITGβ3、Pyk2、p130的表达水平越高,整合素αVβ3-Pyk2-p130通路被促进。具有不同表面微结构的TCP材料可以通过影响整合素信号通路调控破骨细胞活性,并有可能进一步影响材料的吸收以及骨重塑与骨完全再生的过程。

关键词： 石墨烯   二硫化钼   吸收增强   共振光栅  

摘要： 自从石墨烯在2004年被发现,探索新颖的二维材料一直都是研究的热点。除了石墨烯之外,磷烯,过渡金属硫化物、氧化物、六方氮化硼等二维材料也引起了广泛的兴趣,有效地拓宽了二维材料的应用领域。由于这些二维材料结构独特,物理性质和光学性质优异,因而在光电子器件、透明电极、化学、生物及医学等各个领域都极具应用前景。本论文主要围绕实现超薄二维材料(石墨烯和二硫化钼)的微结构的光吸收增强这一问题,设计了一些简单、灵活的光学结构,数值计算了对应的光学吸收率,并分析了引起吸收增强的物理机理。系统研究了光学结构的几何参数、入射角度以及偏振态对光学响应的调制作用。本论文具体研究内容如下:1.基于单层石墨烯的光子晶体(PhCs)传感器:此部分主要使用石墨烯来截断周期性的PhCs,激发Bloch表面波,可以实现可见-近红外波段的光吸收增强,或者反射衰减,从而将这一光学现象应用于传感器中。首先,石墨烯是一种在各个方面都具有优异特性的二维光学材料。更重要的是,石墨烯在可见-近红外波段呈现出与波长无关的固定吸收率,为2.3%。通过将石墨烯引入PhCs中,来激发Bloch表面波共振,可以实现光的全吸收,同时实现了反射光的衰减。我们将衰减全内反射应用到传感器中,理论上实现了高灵敏度的传感性能。2.基于石墨烯的广角偏振不敏感吸收器:此部分主要是通过设计基于石墨烯/锗的一维堆栈式光栅结构来实现一种在大气透射窗口波长范围内,角度无关、偏振不敏感的高吸收。石墨烯的单层吸收率非常低,且锗(Ge)是一种在所考虑的波长范围内具有高折射率的无损材料。尽管光栅结构一般都表现出偏振依赖性,但是当我们使用这样一种堆叠结构光栅时,该光栅结构表现出偏振不敏感性。由于该光栅结构在横向电场(TE)偏振下激发了腔模式共振(CMR)和横向磁场(TM)模式下激发了表面磁共振(MR),我们通过结构设计使得在两偏振下都可以实现在2.9μm处的宽波段高吸收,最终使得该结构表现出偏振不敏感。此外,这两种偏振下对应的共振模式还实现了角度无关的特性。3.基于二硫化钼(MoS)的介质光栅结构的窄带吸收增强:此部分的主要内容是通过设计简单的全介质波导光栅结构,来激发了Fano共振模式。然后,通过引入二维材料MoS,实现了在Fano共振对应的波长处的一个增强吸收。在以往的结构设计中,通常使用的结构都非常复杂,使得工艺制作相对困难,这里我们的设计的吸收器结构相对简单且易于制作。最后,在这种简单的光栅结构的基础上进行了改进,以期望实现更高的吸收。通过分析,发现调制MoS条的周期和宽度之间的关系可以进一步促进光与MoS相互作用,最终实现吸收率更高的窄带吸收。

关键词： 热敏陶瓷   高居里点   掺杂   耐压  

摘要： BaTiO基高居里点PTCR(positive temperature coefficient of resistance)陶瓷因其在居里点附近时电阻发生跃变的电阻-温度特性和居里点附近恒温发热的静态伏安特性,在通信、网络设备、自动控制、家用电器、电动汽车等领域应用广泛。随着节能减排日益推进,白色家电、电动汽车产业将得到极大发展,这些产业日益要求作为关键元件的PTC热敏陶瓷材料室温电阻率更低、居里温度更高、耐电压能力更强。目前经常使用到的居里点移动剂有Pb和BaNaTiO,使用BaNaTiO提高PTC居里温度时,居里温度提升较少,只有160℃,居里温度低,不能满足目前实际应用环境对高居里点的需求。本文使用Pb的氧化物PbO作为居里移动剂,研究Pb对材料显微结构和性能的影响,测试不同居里点的PTC材料在高压下的电阻-温度特性,探究高居里点PTC材料显微结构与性能之间的关系。论文主要内容如下:(1)选择Pb作为居里点移动剂,采用两步烧结的方法制备不同Pb掺杂浓度的BaTiO基陶瓷材料,研究Pb掺杂对陶瓷的显微结构、致密度和电学性能的影响。(2)研究不同Pb掺杂浓度的材料在高电压下的电压效应,分析Pb对材料PTC效应的影响。(3)选择晶粒尺寸均匀、电学性能良好的居里温度为230℃的PTC材料进行掺杂,探究施主Y、受主Mn对其微观结构电学性能的影响,并分析Y掺杂时材料致密度对材料电学性能的影响。研究Ca、液相SiO对材料的显微结构和电学性能的影响。

关键词： 聚酰亚胺   纳米纤维   静电纺丝   功能化   锂离子电池隔膜   纳米银  

摘要： 聚酰亚胺（Polyimide,PI）因其轻质、高强、耐高低温（-269～+300℃范围内长期使用）、优异的介电性能、耐辐射性能、化学和尺寸稳定性,被以薄膜、涂料、先进复合材料、纤维、泡沫塑料、工程塑料、胶黏剂等多种形式在化工、电工电子、信息、军工、原子能工业和航空航天等领域中得到广泛应用。随着静电纺丝技术的日趋成熟,纳米纤维的制备变得高效便捷且极具调控性。PI纳米纤维综合了 PI材料的优异性能和纳米纤维的表面效应和尺寸效应,通过进一步的功能化,有望成为一种高性能多功能性的纳米纤维。本文分别通过碱液诱导微交联法和热致微交联法对PI纳米纤维膜进行了微结构调控,制备出两种具有交联结构的聚酰亚胺纳米纤维隔膜;分别利用溶胶浸渍法和反向原位水解法对PI纳米纤维实现了二氧化硅（SiO2）和二氧化锆（ZrO2）的无机包覆,制备出两种聚酰亚胺纳米纤维柔性“陶瓷”隔膜,对上述四种隔膜的热性能、力学性能和作为锂离子电池隔膜的电化学性能进行了表征。通过直接离子交换-原位还原法制备得到了纳米银包覆的PI纳米纤维,表征了其作为基底对拉曼信号的增强性能。针对不溶不熔体系聚酰亚胺纳米纤维膜,开发了碱液诱导微交联法,基于其前驱体聚酰胺酸碱性水解的机理,通过碱液诱导和热亚胺化,实现了PI纳米纤维膜的微结构调控,研究了碱液浓度和诱导时间对纳米纤维膜微交联结构的影响,制备出具有交联结构的PI纳米纤维隔膜。交联结构的引入将PI纳米纤维膜的拉伸强度提升了 3.5倍,热变形起始温度由328℃提高到380℃。装有该隔膜的LiFeP04/Li半电池在0.1C时的放电容量为162.5 mA h g-1,5C时依然保持124.5 mA h g-1的高放电容量;1C下,循环100次后放电容量由146.2 mA h g-1下降到140.4 mA h g-1,容量保持率为96%;120℃和1C下,可以正常充放电100次以上。在放电容量、倍率性能和高温循环稳定性方面明显优于商用的Celgard-2400隔膜,是耐高温锂离子电池隔膜的理想材料。针对可溶可熔体系聚酰亚胺纤维膜,开发了热致微交联法,利用其高温熔融的特点,通过控制热处理温度使纤维搭接处发生熔并,制备出具有交联结构的聚酰亚胺纤维隔膜。交联结构将聚酰亚胺纤维膜的拉伸强度提升了 5倍,其热尺寸稳定性明显优于聚烯烃隔膜,使用该隔膜的LiFeP04/Li半电池,0.1C的放电容量为154.5 mA h g-1,5C时仍保持113 mA h g-1的放电容量,高倍率下的放电容量显著优于商业化的Celgard-2400隔膜,在260℃时,该隔膜表现出明显的热闭孔功能可进一步提高电池的安全性,上述结果证明了其作为高安全性锂离子电池隔膜的应用潜力。利用溶胶浸渍法,基于锆溶胶与聚酰胺酸纳米纤维的良好亲和性,通过控制溶胶浓度和热亚胺化实现了 ZrO2在PI纳米纤维表面的均匀包覆,制备出PI/ZrO2复合纳米纤维柔性“陶瓷”隔膜,即实现了聚酰亚胺纳米纤维柔性、自支撑性和多孔性与二氧化锆的耐温性、与极性液体浸润性等性能的有机结合。Zr02层的引入将其拉伸强度由8 MPa提高了 39 MPa,热尺寸稳定性得到进一步提高,表面浸润性得到显著改善,对水接触角由126°下降到了 18°,使用该隔膜组装的LiFePO4/Li半电池,0.1C的放电容量为164.4 mA h g-1,5C时仍保持135.6 mA h g-1的放电容量;电池循环稳定性优异,1C下经过100次循环充放电,放电容量由153.1 mA h g-1下降到了150.4 mA h g-1,容量的保持率为98.2%,该隔膜有望在大功率锂离子电池中得到应用。开发了反向原位水解法,使二氧化硅前驱体在PI纳米纤维中实现了反向迁移和原位水解,制备出具备核壳结构的SiO2@（PI/SiO2）复合纳米纤维柔性“陶瓷”隔膜,即外层为Si02纳米颗粒层,内层为Si02纳米颗粒掺杂的PI纳米纤维。在原位水解过程中,Si02层在纳米纤维搭接处发生了融合,使PI纳米纤维膜的拉伸强度和模量提高了 5倍,电解液的浸润性和浸润速度较纯PI有明显改善,热尺寸稳定性进一步提升,SiO2包覆和SiO2的掺杂赋予PI纳米纤维膜优异的阻燃性,同时改善了隔膜与电极的界面性能,使用该隔膜组装的LiFeP04/Li半电池,0.1C的放电容量为166.3 mA h g-1,5C时仍保持139.4 mA h g-1的高放电容量;1C下常温循环100次,容量保持率为98.7%,120℃和1C下,稳定充放电循环100次以上,容量保持率为99%,上述优异性能使得PI/SiO2复合纳米纤维柔性“陶瓷”隔膜在大功率高安全性锂离子电池领域具有很好的应用前景。基于直接离子交换-原位还原法,研究了制备过程中温度、银盐浓度和还原剂对纳米银形貌的影响,制备出表面均匀

关键词： 减反微结构   有限元仿真   减反射   超精密车削   微纳双重结构  

摘要： 功能微结构是指在零件表面制造纳米至微米尺度的微细结构,实现诸如疏水、减阻、光学减反射等特定功能,提高零件或器件的使用性能。功能微结构广泛存在与自然界中,如荷叶表面的微纳结构具有良好的疏水性能,可以实现荷叶表面的自清洁,鲨鱼皮表面的微纳结构具有良好减阻效果,使鲨鱼在水中活动更加节省能量。近些年来,人类不断认知和学习自然界的生物表面功能微结构,研究在零件表面上设计并制备出各类功能微结构,以期调控其光学、润滑以及摩擦等特性,提高零件和器件的使用性能,这一领域是目前学术界研究热点之一。本文以提高硅半导体材料表面减反射特性为目的,开展了不同功能微结构对表面光学减反射特性研究,探索了单晶硅表面功能微结构的优化设计及其制备工艺方法,并对制备样品的减反射特性进行了评价。首先,在大量调研的基础上,分析了功能微结构在太阳能电池、光电探测、自清洁等领域的应用需求,总结了目前单晶硅表面功能微结构的主要制备方法,在此基础上,分析了目前研究中存在的主要问题。其次,基于时域有限差分方法(FDTD)开展了单晶硅表面功能微结构光学特性的有限元仿真研究,分析揭示了单晶硅表面功能微结构减少光反射的作用机理。针对金字塔、圆锥等各种不同微结构表面,仿真分析了在不同特征结构尺寸、占空比、入射波长等条件下的反射率特性,并分别在不同形状微结构、不同入射角度等条件下对比分析了微结构的反射特性,从而实现了低反射特性功能微结构的优化设计。再次,开展了单晶硅表面功能微结构超精密车削成型技术研究,针对微米尺度的V槽结构、金字塔等功能微结构(高度1μm～10μm,宽度10μm～50μm),采用单点金刚石超精密车削加工方法(SPDT)实现了加工成型。开展了不同工艺参数条件下(刀具前角、主轴转速、背吃刀量等)单晶硅表面切削实验,获得了优化的切削参数组合;并分别对微结构表面形貌、光学反射率等参数进行了检测和分析。通过实验与仿真结果对比,验证了有限元仿真分析方法的正确性和仿真结果的有效性。最后,实验研究了微纳双重结构对单晶硅表面光学特性的影响,在上述所加工的微米尺度微结构表面上,利用酸法腐蚀方法制备纳米结构,得到了微纳双重结构表面,并分别测试了其表面形貌和光学反射率,实验结果表明微纳双重结构有助于进一步提高微结构表面反射率。本文研究工作为单晶硅表面功能微结构的设计与制造方法提供了一种可行的解决方案,对于发展太阳能电池技术以及光电探测器技术具有重要参考意义。

关键词： 辐射冷却   光催化   可见-近红外   硅藻结构  

摘要： 随着温室效应的日益加剧,全球变暖已经是不可避免的环境问题之一,对降温的需求也将越来越高,但目前在生活中或者工业上的降温基本依赖空调消耗大量能源的等主动冷却的方式来解决,同时化石能源仍然是主要的供能手段,这持续加重了能源短缺与环境问题。辐射冷却和光催化分别是解决降温需求和能源问题的最佳途径之一。但是目前日间辐射冷却材料面临降温效果不强,限制条件多且结构复杂难制备的问题,光催化方面同样面临效率低下的问题亟待解决。这两者均涉及到材料与光之间的相互作用,在自然界中,形形色色的生物在地球上经过了上亿年的进化,多数都已经形成了能够适应环境生存形态,因此,师法自然,通过筛选合适的生物结构能够有针对地提高材料对光的调控。本研究分别以蝉(盈江蟪蛄)体表绒毛和硅藻(Coscinodiscus sp)作为仿生对象,通过时域有限差分FDTD光学模拟软件研究微结构与光之间相互作用的影响机制,揭示蝉的绒毛结构对增强可见光反射以及硅藻的分级多孔外壳增强可见光吸收的基本原理,并进一步优化结构后,经由电子束刻蚀、紫外光刻、纳米压印等微纳加工手段将优化的结构合成制备出来,采用多种表征手段包括测试吸收光谱、可见近红外反射光谱、光催化还原二氧化碳测试、实际降温测试等验证了蝉体表绒毛和分级多孔硅藻外壳微结构的作用。制备的优化的仿生蝉体表绒毛结构体系在日间能够最高降温7℃,这其中一方面归功于结构提升了可见近红外反射,同时使用三氧化二铝复合二氧化硅使得材料在大气窗口波段(8-13μm)的红外吸收率达到90%以上,有效地增强了材料的辐射冷却性能,在结构与材料的共同作用下,该体系能够有效地实现日间降温。制备优化后的硅藻结构,在紫外等照射下,与粉状样品相比,人工硅藻结构在光催化还原CO性能当中使得CO和CH的产率分别增加了2.8倍和2.3倍;且该合成加工方式可以同样应用于其他常见的光催化材料,此研究为构筑精细的仿生结构提供了一个思路和方法。