基于深度学习的微纳结构光谱设计研究进展

随着人工智能技术的快速发展,深度学习在微纳结构光谱调控领域展现出了巨大的应用潜力。深度学习可以在无明确物理解析模型的情况下,通过构建复杂的神经网络,从实验或仿真数据中学习微纳结构的光谱响应特性,从而实现高效的设计优化,这为微纳结构的设计提供了一种新的思路和方法。该文综述了近年来深度学习在微纳结构设计中的研究进展,重点讨论了其在结构色、热辐射控制以及窄带光谱传感等光谱调控领域的应用,并展望了该领域未来的发展机遇与挑战。

微纳结构表面防冰研究进展

首先从冰的2种形成机理-均相成核和非均相成核进行了阐述,并介绍了液体在固体表面上的润湿现象。在此基础上,根据微纳结构防冰机理,分别综述了在固体表面结冰的前、中、后不同时期的最新防冰除冰策略。结冰前,借助液滴的脱落和自除预防固体表面结冰;结冰时,可通过延长冰的冻结时间,延缓冰在固体表面上的覆盖;结冰后,降低冰在固体表面的附着力,使之更易脱离固体表面,达到防冰除冰的需求。最后,对于如何提高微纳结构表面的耐久性进行了总结,对有关这些问题的最新研究成果进行了归纳和讨论,并对今后微纳结构表面防冰除冰的研究进行了展望。

3D打印生物医用多孔钛合金骨植入物表面微纳结构活性层制备及其抑菌性能研究

钛合金骨植入物在骨科临床中得到了越来越广泛的应用,但其较高的弹性模量、较差的抑菌性能及固有的生物惰性等易造成应力遮挡、术后感染以及松动等问题,从而对术后恢复造成较大负面影响.针对这些问题,本研究以3D打印技术获得的力学性能优异的多孔Ti-6Al-4V合金骨植入材料为研究对象,通过阳极氧化工艺在植入物材料表面制得TiO_(2)微纳结构活性层,并通过光还原的方法负载纳米银颗粒,在对其进行结构优化的基础上深入探讨其结构与亲水性、耐蚀性、抑菌性之间的关系.研究结果表明:3D打印多孔钛合金通过两次阳极氧化可在其表面生成规整TiO_(2)微纳结构活性层,显著提高了骨植入材料的生物活性和在模拟体液中的耐蚀性,负载微量的Ag纳米颗粒后亲水性变化不大,但抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌黏附和增值的效果显著.本研究对3D打印生物医用多孔钛合金骨植入物的开发与实际应用提供了重要参考.

利用废弃椰木制备B和N共掺杂碳微纳结构及其电磁波吸收性能

5G通信技术为社会发展和日常生活提供了极大的便利,但同时也带来严重的电磁波污染。为了减轻这种污染产生的危害,设计轻量化和环保的宽带电磁波吸收材料已成为研究热点。本文利用椰木做前驱体制备了一种具有竹节管状一维结构的B和N共掺杂碳材料,B和N共掺杂优化了生物质衍生碳的组成,改善了材料的阻抗匹配,一维的竹节中空结构有利于电磁波进入材料内部。制备的材料具有优异的电磁波吸收性能,最低反射损耗(RL)在14.12 GHz时达到-59.64 dB,有效吸收带宽(EAB)宽度范围为5.88 GHz,所需厚度仅为2.1 mm。研究结果表明这种材料优异的电磁波吸收性能来自于电磁波在材料中的多重折射和散射、偶极子极化、界面极化及电导极化等方面的共同作用。

基于激光表面微纳结构的胶接性能研究进展

胶接具有独特的性能而被广泛关注,但在实际应用中往往由于界面结合强度不足而导致接头在服役过程中过早失效。激光表面处理是一种能够有效提高胶接接头表面性能的方法,通过激光表面处理会使黏接材料表面形成不同的表面微纳结构,从而改善接头的性能。首先介绍了激光表面处理原理及激光器分类,对比了不同激光器的优缺点及加工质量特性,分析了激光加工参数对接头强度的影响。其次从激光加工不同表面微纳结构入手,阐述了不同表面微纳结构的加工方式,分析了不同表面微纳结构对不同材料接头强度的影响。此外,针对不同的表面微纳结构,其结构参数有所不同,导致接头表面化学成分和润湿性能也有所不同,使得接头强度有所差异,在此基础上分析了微纳结构参数对接头强度的影响及原因。同时,胶层间的作用机制与接头强度具有密不可分的联系,研究表明,不同的表面微纳结构对胶层的作用机制具有明显的不同,归纳总结发现,经激光表面处理形成表面微纳结构后接头表面粗糙度、化学性质、润湿性能及胶层间裂纹的扩展对接头强度的提升具有一定作用。最后,对激光表面处理微纳结构的研究进行了展望。

激光电沉积复合制备定域微纳结构及其超疏水性能研究

目的实现金属超疏水表面特定微纳结构的定域制备。方法利用激光电沉积复合工艺(LECP)制备出由Cu微米锥和Ni纳米锥所组成的定域微纳结构。首先,依次使用800目和2000目砂纸机械抛光纯铜表面,皮秒激光刻蚀纯铜表面,获得周期性的微米锥结构,并电解去除熔融产物。在电沉积加工过程中引入激光辐照,进而控制Ni纳米锥结构的定域生长。分别将机械抛光、激光刻蚀、激光刻蚀后电沉积(常温、60℃)、LECP所制备的微纳结构表面进行化学改性处理,对所得样品的表面形貌、化学成分、疏水性能、自清洁、延迟结冰和耐腐蚀性能进行对比分析。结果与激光刻蚀后电沉积相比,LECP能够定域制备Ni纳米锥结构。LECP定域制备的微纳结构表面经化学改性后实现了超疏水,其接触角为163°±2°,滚动角为1°±0.5°。与未加工微纳结构的表面相比,LECP制备样品表面水滴结冰时间延长近5倍,腐蚀电流密度减小了2个数量级。结论本研究通过LECP实现了表面微纳结构的定域制备,为超疏水表面的应用提供了一种新的技术手段。

电致变色材料微纳结构设计及多波段调控应用研究进展

电致变色材料具有在外电场下光响应性质可逆变化的特性,由于其响应可控、能耗小、多波段可兼容等优势在光热管理应用方面极具发展潜力。然而,传统的电致变色材料存在调控慢、变色单一、调控波段窄的局限性,限制了电致变色技术的进一步发展。近年来,微纳结构化的电致变色材料实现了循环性能改善、灵活的响应光谱选择性等优势,成为一种行之有效的调控手段并引起了研究者重点关注。本文介绍了电致变色器件(ECD)的基本结构,并围绕扩散动力学、结构色设计、局域表面等离激元共振机理对近几年ECD结构设计的研究进展进行重点论述,分析了多波段兼容响应ECD潜在的应用前景。最后,总结了电致变色材料目前面临的挑战并展望其未来发展方向。

微纳结构类石墨氮化碳的合成方法研究进展

微纳结构类石墨氮化碳(g-C_(3)N_(4))被广泛应用于光解水制氢/氧、光催化降解有机污染物、光催化有机合成、传感器和生物医学等领域,已成为非金属聚合物半导体光催化剂的研究热点之一。本文围绕微波法、熔盐法、模板法、剥离法和超分子自组装法在微纳结构g-C_(3)N_(4)合成中的研究进展,重点综述了超分子自组装技术在微纳结构g-C_(3)N_(4)的调控和制备效率上的优势;阐述了超分子自组装中原料体系、工艺过程等对g-C_(3)N_(4)形貌和结构的影响。最后,总结超分子自组装技术难以精细调控和定向设计g-C_(3)N_(4)微纳结构的问题,并展望了该技术未来的发展方向,比如不同方法之间的交叉研究、结合分子动力学模拟、丰富原料体系和建立工艺参数数据库。

基于微纳结构设计的电磁性能调控研究进展

吸波材料通过吸收电磁波能量,减少或消除电磁波的反射,从而有效降低电磁波的干扰。材料的电磁参数决定其电磁波吸收性能,调整填充比例、改变宏观形态以及复合方式等传统的调控策略存在一定局限性,无法根本改变电磁参数,阻碍了吸波材料的进一步发展。微纳结构设计策略可以改变材料的电导率、电荷密度以及磁性等理化性质,进而根本性改变材料的电磁参数,在调控电磁波吸收能力上展现出巨大优势。由于精确设计微纳结构材料难度较大且批量生产较为困难,其发展受到限制。此外,确定微纳结构与电磁波响应和损失机制之间的结构-性质理论关系仍然是一个重大的挑战。基于此,本文分析了微纳结构与电磁性能的构效关系,阐明了微纳结构设计策略在调控电磁波吸收能力方面的绝对优势,并且梳理了元素掺杂设计、表面效应调控以及成核生长控制等微纳结构改变对电磁响应机制和损耗机制的影响,为研究者们提供了基于微纳结构调控电磁性能的策略和理论指导。最后,以量子点、纳米晶以及纳米线等典型微纳米材料作为范例,综述了其调控电磁参数的策略、优势以及在电磁波吸波领域的研究现状与应用前景,为微纳米材料在电磁波吸波领域的发展提供了理论基础和策略支撑。

红外抗反射微纳结构刻蚀制备研究进展

“蛾眼效应”指光波折射率因蛾眼表面微纳结构在深度方向呈连续性变化,使大部分光被吸收,只有极少被反射的现象。受“蛾眼效应”启发,在材料表面制备微纳结构使其具有独特抗反射性能受到广泛关注,在太阳能电池、光电探测器、光电二极管和军事隐身等领域有广阔应用前景。本文梳理不同微纳结构抗反射原理,并对红外抗反射结构的不同刻蚀制备方法及其应用进行综述,总结了化学刻蚀、反应离子刻蚀、超快激光刻蚀等红外抗反射结构制备方法的特点以及对抗反射性能的影响,阐述红外抗反射结构在红外探测、红外热成像和隐身等方面的应用,并对抗反射结构制备方法研究方向与未来前景进行展望。

微纳结构表面的制备工艺及传热性能实验

微纳结构表面因其优异的传热特性在高热流密度设备中有较好的应用前景,但传统的化学工艺制备方法不易控制表面结构,先进的激光刻蚀则制备成本较高。采用真空钎焊处理方法将工业编织百微米孔隙铜网与铜基表面相结合,制备出多层次微纳米复合结构表面。微距观测发现微纳表面沸腾汽化核心密度是光滑表面的5~8倍,呈现出显著的沸腾强化特征。宏观换热性能实验结果验证了换热性能的大幅增强,为微纳表面强化传热技术工业化应用提供参考。

中空核壳微纳结构材料可控构筑及储能机制研究取得重要进展

能源和环境问题促使汽车产业不断加快结构调整、产业升级的步伐,节能、环保的电动车(EV)和混合电动车(HEV)成为汽车产业的发展方向。作为节能减排的重要组成部分,新能源汽车被列为“十二五”期间加快培育和发展的七大战略性新兴产业之一。开发比容量高、循环性能稳定、安全性强的锂离子电池成为EV和HEV发展的重要支撑。电极材料是决定锂离子电池性能优劣的关键因素之一。因此,制备比容量高、循环性能稳定、高充放电倍率、成本低、安全性能可靠的新型锂/钠离子电池电极材料成为工业和学术界的重要研究方向。如何通过构筑新颖的锂/钠离子电池电极材料微纳结构,来改善二次电池的充放电性能是亟待解决的重大科学技术问题。Mo、Co、Sn、Si、Ni基化合物具有较高的储Li(Na)质量比容量和较好的倍率性能,尤其体积比容量高达3500-4500 mAhmL-1。同时,它们的电位又高于金属锂,因而可以防止金属枝晶的产生,有效地解决了电池安全性问题。并且,来源广泛,成本较低,为工业规模化生产提供了基本保障。

工程塑料表面微纳结构对润滑性能的影响研究

在现代工业飞速发展的背景下,工程塑料在各种工程机械设备和精密仪器中的应用日益广泛。然而,在高负荷、高速度或高温等苛刻工作条件下,塑料部件的摩擦和磨损问题逐渐凸显,严重影响了工程设备的使用寿命和性能。为了提升工程塑料的润滑性能,减少摩擦损耗,研究者们不断探索新的表面处理技术。其中,构建微纳结构改善润滑性能的方法备受关注。微纳结构不仅能够储存润滑油,降低摩擦系数,还能在摩擦过程中形成稳定的润滑膜,从而显著提高工程材料的耐磨性。鉴于此,本研究深入探讨工程塑料表面微纳结构对润滑性能的具体影响,以期为优化工程塑料的摩擦学性能提供理论依据和实践指导。

微纳结构超疏水表面的制备及应用研究进展

在自然界中,如莲叶、水燕等,由于其独特的微纳结构及低表面能特性,表现出优异的超疏水性能,构筑具有仿生性质的超疏水材料,并在其中发挥着重要作用。介绍了近年来超疏水材料领域取得的一些成果,综述了模板法、激光刻蚀法、等离子体处理法、静电纺丝技术、电化学腐蚀、相分离法等多种方法的研究进展,还介绍了超疏水材料在自清洁、防结冰、油水分离、抗腐蚀和减阻等方面的应用。最后,对超疏水表面的制备和应用做了总结,探讨了制备超疏水表面的未来方向。

微纳结构对电容式柔性压力传感器性能影响的研究

设计制备出三明治结构的电容式柔性压力传感器,并对其性能进行研究。该传感器以银纳米线为电极材料,聚二甲基硅氧烷(PDMS)为柔性衬底,同时采用毛面玻璃和光面玻璃分别作为柔性衬底的制备模板,制备出微纳结构和平面结构的PDMS薄膜。然后采用喷涂法制备Ag NWs/PDMS复合电极,以另外一层PDMS为介电层,将两电极面对面封装,得到电容式柔性压力传感器,最后系统研究了传感器的电极微纳结构对器件性能的影响。本文研究表明,具有微纳结构的AgNWs/PDMS复合薄膜传感器的灵敏度为1.0 k Pa^(-1),而平面结构的Ag NWs/PDMS复合薄膜传感器的灵敏度为0.6 k Pa^(-1),由此可知具有微纳结构的柔性衬底能够显著提高器件的灵敏度。

扫描探针显微镜下微纳结构深度测量的校准方法（英文）

扫描探针显微镜(SPM)是微纳结构三维测量中的一项重要技术。然而,在测量过程中台阶或沟槽样品的边缘附近会出现不准确的轮廓,这就造成了深度测量的精度损失。为了避免深度测量的精度损失,分别建立了机械探针和光学探针的两个分析模型,描述了不准确轮廓、样品深度和探针形状之间的耦合关系;在此基础上,提出了一种具有良好精度的深度测量标定方法。与现有的国际深度测量标准(W/3规则)进行比较,该方法提供了一个明确的边界来确定测量结果是否有效;此外,它还可以指导用户在执行测量之前选择适当的探针。

激光直写制备金属与碳材料微纳结构与器件研究进展

激光直写技术作为一种新兴的低成本、高效、高精度的加工技术,可以适用于几乎任意自由度的二维或者三维微纳结构快速成型制备。这对光电子以及半导体微纳结构与器件的制备具有重大的意义。金属微纳结构在电子学和光子学中有着广泛的应用。本文综述了激光直写制备金属微纳结构相关研究进展。主要包括激光直写制备金、银、铜以及复合材料微纳结构与器件。随后重点综述了激光直写表面增强拉曼光谱微流道芯片相关的研究进展。随着环保要求的不断提高,功能性碳材料将会在更多领域得到广泛的应用。与传统的热碳化方法相比,激光直写工艺可以在材料的表面上实现精细的图案化微纳结构的制备。本文进一步综述了激光碳化直写碳功能材料相关研究进展。主要包括激光直写原位还原氧化石墨烯、激光碳化木材、叶子等木质材料。通过对本课题组的研究以及目前相关的研究成果进行综述,本文可为激光直写制备金属与碳材料微纳结构与器件研究及应用提供参考。

矩形块微纳结构材料在红外波段的偏振光吸收

研究了矩形块微纳结构吸收材料在中远红外波段的光学偏振吸收特性。该吸收材料由金属阵列-电介质层-金属膜组成,在2.0μm^5.0μm波长具有双波长谐振吸收效应,其理论吸收率大于80%。模拟计算和实验测试表明,该吸收材料的短波吸收峰值与矩形块长轴方向入射偏振光的3阶谐振响应对应,而长波吸收峰值与短轴方向基模谐振响应对应。实验制备了矩形阵列光吸收器并测试了它的的光学特性,结果表明:该吸收器结构在两个偏振方向的等效磁导率系数满足Lorentz模型,等效磁导率谱线虚部峰值波长与吸收谐振波长相对应,表明这种吸收材料的偏振吸收与入射电磁波的磁谐振响应有关。研究结果揭示了微纳结构吸收器的双波长频谱吸收机理,有助于实现特定波长生物传感器及光电探测器的设计。

微纳结构超疏水材料制备技术的研究进展

综述了超疏水材料制备技术的研究进展,总结了聚合物和金属基两类主要超疏水材料的制备工艺以及国内外研究现状,指出制备具有各种特殊功能性的超疏水材料如定向疏水材料、超双疏材料等将是今后重要的研究方向。

功能微纳结构在石油领域潜在应用

以微纳马达与超材料为典型代表,介绍功能微纳结构的研究现状,对微纳结构设计与制造技术在石油领域的应用前景进行展望。功能微纳结构是为实现特定目标所制备的具有特殊功能的微纳结构与器件,新型功能微纳结构可分为以微纳马达为代表的运动型微纳结构,以及以超材料为代表的固定型微纳结构,3D打印技术是微纳结构的新兴制造方法。结合油气田勘探开发需求及智能微纳结构研究现状,认为潜在的应用方向有3个:(1)以超材料、智能涂层为代表的智能微纳结构可应用于采油工程技术与装备领域,提高石油装备的稳定性与可靠性;(2)以微纳马达、智能微球材料为代表的智能微纳机器人可应用于提高采收率新材料开发领域,有效提高稠油、页岩油等资源的开发效率;(3)以3D打印技术为代表的智能结构制造技术可应用于储集层流体微流动研究领域,对指导矿井驱油剂选择及提高开采效率具有巨大作用。