微生物燃料电池工作原理及产电性能提升策略

微生物燃料电池(MFC)是一种解决其他能源在环境方面不足的新技术,目前低能量输出是MFC实际应用的关键瓶颈。基于MFC工作原理,提出微生物活性差、电子迁移阻力、质子传输阻力及阴极还原反应缓慢是MFC能量输出的限制因素,并从以下5个方面综述了提升MFC产电性能策略:调节pH和选择最佳盐度,加强微生物代谢活性;改性阳极材料,降低电子迁移阻力;增强电解液电导率、优化隔膜材料及缩短电极间距减小质子传输阻力;制备高效阴极催化剂和选择优异电子受体加快阴极还原反应速率;改进MFC反应器构型,提高整体产电性能。未来,可在合成新型阴极催化剂、降低膜污染、优化微生物生长环境、制备优异的电极材料和改进MFC反应器配置5个方面开展重点研究。

互穿网络结构的二氧化硅/环氧树脂复合材料的制备及介电性能研究

环氧树脂(EP)具有较高的电绝缘性能和较低的介电损耗,因此被广泛应用于电气设备和电子封装等绝缘材料领域。由于传统EP耐热性能较差、韧性不足,极大限制了其作为微电子元器件在高频电场下的使用。本工作以硅烷偶联剂(3-环氧乙基甲氧基丙基)三甲氧基硅烷(KH-560)和正硅酸乙酯(TEOS)为原料,通过溶胶-凝胶法合成末端含有环氧基团的新型端环氧基纳米SiO_(2)(E-SiO_(2)),用其对E-51型EP进行改性,在固化剂作用下使E-SiO_(2)和EP上的环氧基团发生开环反应,通过有机EP与无机E-SiO_(2)填料之间的化学键结合,制备出具有互穿网络结构的E-SiO_(2)/EP复合材料。本工作研究了添加E-SiO_(2)对EP固化反应工艺和综合性能的影响,以期在保证EP低介电常数和低介电损耗的同时,赋予其良好的韧性和耐热性能,为EP在高频电路下的应用奠定基础。

核壳型碳纤维毡@聚苯胺复合材料的制备及其介电性能

使用原位化学氧化聚合的方法,以碳纤维毡(CFF)为骨架,在碳纤维表面生长聚苯胺(PANI),获得具有核壳结构的CFF@PANI复合材料,随后使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)对其进行封装。研究反应条件对复合材料结构和性能的影响。结果表明,PANI能够均匀地包裹在碳纤维表面,使CFF的颜色由黑色变为深绿色;接触角和表面能分析结果表明尽管表面生长PANI并未对CFF产生显著影响,但使用PDMS封装后可以大幅度降低材料的表面能;借助多界面结构和界面效应,核壳结构明显提升了材料的界面极化和偶极极化,导致复合材料具有更高的介电弛豫现象,并显著提高了电容和电容压敏效应。

掺杂钛锡酸钡基陶瓷的制备及电性能研究

采用固相合成工艺制备了Li-Al(简称LA)掺杂Ba1-x(LA)x(Ti_(0.91)Sn_(0.09))O_(3)-0.6%MnO_(2)陶瓷,研究了LA掺杂量对钛锡酸钡基陶瓷物相组成、相对密度、晶粒尺寸、介电性能和压电性能的影响。结果表明,LA掺杂钛锡酸钡基陶瓷都为ABO3型钙钛矿结构,(022)和(200)晶面的衍射峰会随着掺杂量增加而逐渐右偏移;随着掺杂量x从0增加至2.5%,LA掺杂钛锡酸钡基陶瓷的相对密度先增后减,在x=0.5%时取得最大值(93.7%)。相同频率下LA掺杂钛锡酸钡基陶瓷的介电常数从大至小顺序为:0.5%>1.0%>0>1.5%>2.0%>2.5%;LA掺杂量为0.5%时钛锡酸钡基陶瓷的介电常数最高。随着LA掺杂量从0增加至2.5%,压电系数d33、平面机电耦合系数Kp和相位角θmax都表现为先增后减趋势,在x=0.5%时取得最大值。x=0~1.0%时LA掺杂钛锡酸钡基陶瓷具有较好的压电温度稳定性和较高的退极化温度。钛锡酸钡基陶瓷中适宜LA掺杂量为0.5%。

BT@PANI核壳粒子的绿色制备及PVDF基复合材料的介电性能

聚合物薄膜介电电容器在新能源汽车、太阳能和风力并网发电与储能等领域具有广泛应用和广阔的发展前景。钛酸钡/聚合物复合材料具有介电损耗低、击穿场强高的特点,是电容器中核心部分高介电有机薄膜材料极具潜力的选择之一。目前,迫切需要解决高极化特性与低损耗难以协同改善的问题。本工作提出以苹果酸同时作为钛酸钡(BT)表面修饰剂和聚苯胺(PANI)掺杂剂,采用原位聚合法制备了BT@PANI核壳粒子,并以此为填料制备了聚偏氟乙烯(PVDF)基复合材料。结果显示,通过苹果酸与盐酸的两步表面改性法,可获得钛酸钡-苯胺阳离子(BT-An^(+))粒子,为此不同苯胺(An)与BT-An^(+)质量比条件下填料产物的核壳结构特征明显。当An与BT-An^(+)的质量比为0.5∶1时产物平均粒径最小,约为450 nm,粒径分布最窄,且电导率为1.46×10^(-3)S/cm。以此为填料,30%(质量分数)填充量的PVDF基复合材料在10^(3)~10^(6)Hz范围内介电常数保持在高值水平,由31仅下降到15,介电损耗在宽的频率范围内低于0.3,不仅表现出优良的频率稳定性,而且在获得较高的介电常数情况下,实现了介电损耗的有效抑制。此外,这项工作极大地降低了无机氧化性酸与有机试剂的使用率,为实现高性能介电复合材料的绿色制备提供了实验指导。

聚乙烯分子链结构差异对其介电性能的影响

为探究国内外聚乙烯电缆料性能差异产生的原因,本文通过凝胶渗透色谱(GPC)、旋转流变测试以及自成核退火热分级(SSA)等方法测试了材料的分子量分布、长支链含量以及短支链含量,探讨了一种国产和两种进口500kV交联聚乙烯电缆料的分子链结构与其介电性能的关系。结果表明:聚乙烯体内长支链含量从小到大的顺序为:国产样品、进口B样品、进口A样品;短支链含量从小到大的顺序为:进口B样品、进口A样品、国产样品。其中,进口A样品中较高的长支链含量,有利于分子有序排列和结晶的形成,进而提高其耐压等级;国产样品过高的短支链含量会阻碍分子结晶,导致其击穿场强较低。此外,3种聚乙烯分子链结构的差异对其介电常数、介质损耗因数和电阻率影响不大。

放电等离子烧结细晶0.8PMN-0.2PT陶瓷的介电性能

铌镁酸铅-钛酸铅[Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-PbTiO_(3),PMN-PT]陶瓷是一种典型的驰豫铁电体。为了研究晶粒尺寸对PMN-PT陶瓷介电性能的影响,采用两步固相反应法合成了0.8PMN-0.2PT粉体,使用放电等离子烧结技术在不同温度下制备0.8PMN-0.2PT陶瓷,并分析了陶瓷的晶体结构、微观形貌和介电性能。结果表明:采用两步法能得到纯0.8PMN-0.2PT粉体,其晶粒尺寸约为0.36μm;当烧结温度为1100℃时,采用放电等离子烧结技术可以得到晶粒细小的纯0.8PMN-0.2PT陶瓷,晶粒尺寸约为0.69μm,密度为8.02 g/cm^(3),但是其介电常数较低,最大值为12708,介电-顺电转变峰为一个较宽的峰,且随频率增加,介电-顺电转变温度(T_(c))向高温方向移动,呈现典型的弛豫特性。此外,在频率为1×10^(2)~2×10^(6)Hz时,随温度升高,介电常数和介电损耗都升高。因此,采用放电等离子烧结法可以得到细晶致密且介电常数较高的0.8PMN-0.2PT陶瓷。

旋涂工艺对钛酸铋(Bi_(4)Ti_(3)O_(12))薄膜铁电性能的影响

应用溶胶-凝胶法,在Pt(111)/Ti/SiO_(2)/Si衬底采用不同转速制备了Bi_(4)Ti_(3)O_(12)薄膜。通过XRD、SEM、半导体测试、铁电性能测试等对制备的薄膜结构以及铁电性能进行表征。XRD结果表明成功制备钛酸铋纯相,FESEM结果显示所有的薄膜与衬底间均有良好的接触,半导体测试以及铁电性能测试结果显示,转速为4500 r/min下制备的薄膜不仅具有最低的漏电流密度(2.60×10^(-6)A/cm^(2)),而且拥有最大的剩余极化强度(P_(r)=12.38μC/cm^(2))。

有载分接开关绝缘油中金属颗粒运动规律及其对介电性能的影响

高压有载分接开关油室金属微粒放电引发的缺陷超一半以上严重影响长期运行可靠性。研究了有载分接开关断开过程中绝缘油中金属颗粒的运动规律及其对绝缘油介电性能的影响,可为有载分接开关绝缘状态诊断和油隙绝缘裕度设计提供理论基础。首先分别给出了流体场、金属颗粒动力学以及电场的理论分析,并阐述了三者的耦合关系;同时建立有载分接开关触头二维简化仿真模型,得到了流体场中涡流的分布、金属颗粒的运动规律以及带电金属颗粒的运动轨迹;仿真结果表明开关运动过程中,开关间隙中心处颗粒浓度最高,且会形成“小桥”。通过混合物的介电常数和电导率模型计算了金属颗粒浓度分布变化对绝缘油介电性能的影响,提出了按浓度分区计算再并联的方法,提高了介电参数计算的准确性。

电缆绝缘用聚丙烯/弹性体复合材料的高温介电性能

为研究弹性体含量对聚丙烯(PP)不同温度下介电性能的影响,制备了不同聚烯烃弹性体(POE)含量的试样,并通过添加β成核剂的方式对聚丙烯晶型进行调控,以优化聚丙烯/弹性体复合体系的高温介电性能。试验结果表明,相较于POE体系,POE/成核剂体系的柔韧性和高温力学的稳定性提高,高温交流击穿强度也明显改善,90℃时,POE40-β的交流击穿强度比POE40高11.4%。此外,β成核剂的引入抑制了POE体系高温低频下相对介电常数的上升现象,并大大降低了高温下的损耗,90℃时,工频下的介质损耗因数从10^(-2)降到10^(-3),下降了一个数量级。研究结果表明,β成核剂的添加不仅可以改善聚丙烯/弹性体复合体系的力学性能和高温击穿强度,还提高了聚丙烯和弹性体的相容性,削弱了界面极化的作用,使其表现出更为优异的介电性能。

温控阀电性能测试设备的研究与应用

温控阀用于航天器的温度控制与热量受控排散,在温控阀研制生产、试验调试过程中,必须对其进行电性能测试。电性能测试项目多、步骤烦琐,占用生产时间长,根据温控阀的运行方式,设计研发了一种温控阀电性能测试设备,实现了温控阀电性能的自动化测试。该温控阀电性能测试设备不仅便于产品与测试设备快速插拔,而且能够长期分类保存测试数据,提高了温控阀电性能测试的效率和准确率,节省了宝贵的生产时间,保障了航天任务的圆满成功。

熔融石英陶瓷材料介电性能影响因素分析

采用凝胶注模成型工艺制备熔融石英陶瓷,通过XRD、SEM和电性能网络分析仪对陶瓷样品的晶体结构、微观形貌、介电性能进行分析,研究了熔融石英陶瓷介电性能的影响因素,为筛选制备石英陶瓷材料最优工艺方案提供依据。研究结果表明:材料制备工艺一定时,制备不同厚度的石英陶瓷板,平铺烧结,同一块方板沿垂直方向自上而下,密度逐渐下降,密度与介电常数呈正相关,密度每上升0.01 g/cm^(3),介电常数对应上升0.01~0.02,密度对损耗角正切数值影响不大;同一块板同样厚度位置,边角与中间位置的密度几乎没有变化;同一块板,同样厚度方向,介电常数变化不大;石英陶瓷板中引入松香导致试样更致密,密度升高,介电常数随之增大;相同密度的试样,采用不同的介电测试方式计算所得的介电常数有约0.03的偏差。

CuO对堇青石微晶玻璃析晶行为及微波介电性能的影响

本文采用烧结-析晶法制备了xCuO-(22.2-x)MgO-22.2Al_(2)O_(3)-55.6SiO_(2)(x=0、0.25、0.50、0.75、1.00,摩尔分数)(MAS)微晶玻璃,研究了CuO含量对MAS微晶玻璃析晶行为、晶相种类、微观形貌和微波介电等性能的影响。结果表明,随着CuO对MgO的取代量从0%增加到1.00%,玻璃化转变温度降低,析晶峰温度也表现出降低的趋势,Avrami指数n逐渐增加。微晶玻璃的主晶相为α-堇青石,CuO的加入促进了μ-堇青石在更低温度完成向α-堇青石的转变且有利于热膨胀系数的降低。随着CuO含量增大,微晶玻璃介电常数先增加后减小,介电损耗则是先减小后增加。在650℃/2 h+1050℃/2 h下,CuO含量为0.25%和0.50%的微晶玻璃介电性能综合较优,在14.6~15.2 GHz频率下,介电常数分别为5.05和5.07,介电损耗分别为7.49×10^(-4)和7.12×10^(-4),品质因数分别为20013.35和20786.41 GHz。

氰酸酯树脂改性环氧树脂的冲击强度及介电性能

为降低制备成本,采用低含量氰酸酯(CE)增韧改性环氧(EP)树脂,制备了EP/CE共聚物。利用差示扫描量热分析仪和傅里叶变换红外光谱仪分析了EP/CE的固化过程,研究了CE用量对EP/CE冲击强度的影响,并进一步分析了EP/CE的弯曲性能、介电性能和热性能。结果表明,CE改性EP树脂的冲击强度显著提高,当CE添加质量为EP树脂的0.2时,改性效果最好,冲击强度从3.46 kJ/m^(2)增加到5.81 kJ/m^(2),同时,弯曲模量从2.71 GPa增加到3.47 GPa;常温下2~18 GHz频率范围内的介电损耗角正切值降低到0.0298附近;而玻璃化转变温度和初始分解温度稍有降低,分别为117.0℃和328.9℃。EP/CE共聚物良好的力学、介电和热性能可以拓宽EP树脂基复合材料在大批量生产工业领域的应用范围。

调制周期数对Mo/AZO成分调制多层膜透光、反光特性以及电性能的影响

采用射频(RF)和单极中频脉冲直流(UMFPDC)磁控溅射技术,在300℃下制备了Mo/AZO成分调制多层膜。测试结果表明,Mo/AZO成分调制多层膜以(002)为取向的六方纤锌矿型ZnO结构为主;薄膜中Mo的化学态随薄膜厚度而变化,当薄膜厚度为1.67 nm时,Mo除单质态外,还存在部分+4和+5的离子价态,当薄膜厚度降至0.83 nm时,已无单质态Mo;调制周期数对成分调制多层膜的透光、反光特性以及电性能影响显著,当调制周期数为3时,Mo/AZO成分调制多层膜的综合性能达到最佳,电阻率、霍尔迁移率和载流子浓度分别为8.64×10^(-4)Ω·cm、8.78 cm^2)/(V·s)和8.23×10^(20)cm^(-3)。在保持金属层、半导体层总厚度不变的情况下,通过改变调制周期数可以增加薄膜的光学透过率并可在较宽范围内调节多层膜的综合性能,这为制备综合性能优异的金属/半导体型透光导电薄膜提供了一条切实可行的途径。

碳纤维增强碳基复合材料的介电性能对应力的自感知

碳纤维增强碳基复合材料(C/C)具有优异的力学和导电性能,但其介电性能的报道较为罕见。文中采用LCR测量仪测量C/C的相对介电常数,采用电流源和纳伏表通过四电极法测量C/C的电阻率,研究了C/C的相对介电常数和电阻率随压应变的变化规律。研究表明,单位应变下相对介电常数的变化率(528±8)是电阻率变化率(111±5)的4.7倍,说明C/C复合材料的介电性能对其微观结构的改变更敏感。此外,压应变下C/C介电性能的增强归因于应变诱导的微缺陷提供了部分电子和空穴参与空间电荷极化的场所,以及压应变改善了极化连续性。单位压应变下增加的参与极化的电子或空穴的数量为(1.37±0.02)×10^(10)。C/C的相对介电常数低于碳纤维和石墨,可归因于碳基体中较高的孔隙率及较多的界面。

有源层溅射工艺及后退火温度对IZO TFT电性能的影响

为了提高氧化物薄膜晶体管的器件性能,以掺In氧化锌(IZO)为有源层,原子层沉积法(ALD)沉积的Al2O3薄膜为栅介层,制备了基于IZO的薄膜晶体管(IZO TFT),研究了IZO薄膜制备工艺中溅射气体氩氧流量比、溅射压强和后退火温度等工艺参数对TFT器件电学性能的影响。结果表明,在恰当的氩氧比和反应气压以及相对较高的退火温度下制备的IZO TFT具有良好的电学特性,当氩氧流量比为60:20 sccm、溅射压强为0.5 Pa、空气气氛中以250℃退火1 h时后,IZO TFT器件的整体电学特性表现较优,其迁移率高达31 cm^(2)/(V·s),开关电流比大于108。相对过低或过高的氩氧比会导致IZO有源层中氧空位含量过低或过高,从而降低TFT器件性能。过低的退火温度不足以使栅介质的Al-OH转变成Al-O以及空气中的氧扩散进入IZO体内钝化氧空位,因此器件性能较差。

海水-富盐空气对BaTiO_(3)及Ni-BaTiO_(3) MLCC介电性能的影响

将BaTiO_(3)陶瓷和82 nF的Ni-BaTiO_(3)MLCC放置在海水及富盐空气两种恶劣环境下,利用阻抗分析仪、SEM及EDS探究处理0、24、48、72 h后性能的变化规律及腐蚀机理。结果表明,放置在海水中,BaTiO_(3)陶瓷在不同时间低频(10^(2)~10^(3)Hz)相对介电常数与介电损耗增加,且增加幅度巨大,在24 h陶瓷表面产生明显的保护膜,而在富盐空气下的陶瓷,72 h内介电性能变化范围小,表面没有明显的保护膜产生,但具有一定的腐蚀痕迹。82 nF的MLCC放置在海水及富盐空气72 h内高频(10^(5)~10^(6)Hz)电容值及介电损耗变化明显,这由盐分浸入内部结晶所导致,但其表面同样没有保护膜产生,这可能与电容器表面的氧化物涂层有关。

MgNb_(2)O_(6)掺杂(Ba,Sr)TiO_(3)基电容器陶瓷介电性能的研究

采用固相法制备MgNb_(2)O_(6)(MNO)掺杂(Ba 0.79 Sr 0.21)TiO_(3)((Ba,Sr)TiO_(3))基电容器陶瓷。采用XRD、SEM等研究了MgNb_(2)O_(6)掺杂对(Ba,Sr)TiO_(3)基电容器陶瓷的物相、显微结构及介电性能影响。结果表明,随着MNO掺杂量的增加,(Ba,Sr)TiO_(3)基电容器陶瓷的介电常数逐渐减小,陶瓷的介电损耗先增大后减小再增大,陶瓷的电阻率先减小后增大再减小,陶瓷的耐压强度先减小后增大再减小。当MNO掺杂量(质量分数)为2.0%时,陶瓷的介电常数达到最大值(为1670),陶瓷的介电损耗有最小值(为0.0056)。当MNO掺杂量(质量分数)为8%时,陶瓷的电阻率有最大值(为65.23×10^(10)Ω·cm),耐压强度的最大值为7.7 kV/mm(DC)。当掺杂MNO量(质量分数)为10%时,陶瓷的电容温度变化率为+0.18%,-28.29%。MNO掺杂(Ba,Sr)TiO_(3)基电容器陶瓷是钙钛矿结构。掺杂MNO能够降低陶瓷的电容温度变化率。

掺杂Ba(Zr_(0.15)Ti_(0.85))O_(3)陶瓷的结构与电性能研究

采用固相烧结法制备了不同氧化钬掺杂量的Ba(Zr_(0.15)Ti_(0.85))O_(3)(BZT)陶瓷,对比分析了未掺杂和掺杂不同含量氧化钬的BZT陶瓷的物相组成、显微组织、介电性能和铁电性能。结果表明:未掺杂或氧化钬掺杂量较小(质量分数≤2%)的BZT陶瓷主要以单相固溶体形式存在;当氧化钬质量分数增加至3%及以上时,BZT陶瓷中形成新的Ho_(2)Ti_(2)O_(7)相;掺杂氧化钬的BZT陶瓷晶粒尺寸明显小于未掺杂氧化钬的BZT陶瓷,且随着氧化钬掺杂量的增加,BZT陶瓷的平均晶粒尺寸逐渐减小。此外,随着氧化钬掺杂量的增加,BZT陶瓷的ε_(r RT)和tan δ_(RT)先增加后减小,当氧化钬质量分数为2%时可以得到高ε_(r RT)、低tan δ_(RT)的BZT陶瓷。掺杂氧化钬的BZT陶瓷具有弛豫铁电陶瓷特征,氧化钬质量分数为2%~7%的BZT陶瓷的剩余极化强度均低于未掺杂氧化钬的BZT陶瓷,且剩余极化强度随着氧化钬掺杂量的增加逐渐减小;掺杂氧化钬的BZT陶瓷的矫顽电场均小于未掺杂氧化钬的BZT陶瓷,且矫顽电场随着氧化钬掺杂量的增加逐渐减小;BZT陶瓷剩余极化强度和矫顽电场的变化主要与BZT陶瓷内部相变、晶粒尺寸等有关。