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。

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。

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。

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。

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。

金属微纳结构操控单光子发射体辐射

固态单光子发射体结合了原子优异的光学性质(如高可靠性、高效率等)和固态系统的便利性与可扩展性,在可扩展光量子信息技术中扮演着重要角色。然而,真空中固态单光子发射体所发出的单光子具有自发辐射速率低、各向同性发射、发射光的偏振状态随机等不足,这极大地限制了其应用。金属微纳结构支持的表面等离激元具有巨大的场增强和亚波长的场束缚效应,因此国内外研究者设计了各种各样的金属微纳结构来操控单光子发射体的辐射。本研究综述了金属微纳结构在单光子发射体自发辐射增强、准直辐射、辐射偏振操控等方面的研究进展,重点比较了性能指标并分析了操控机制。最后,对金属微纳结构操控单光子发射体辐射的挑战和发展进行了展望。

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。

基于微-纳结构与光催化作用的超纤合成革表面高效清洁性能构建

超纤合成革在日常使用过程中极易被污渍沾污,且难以清洗。通过在超纤合成革表面构筑具有微-纳结构的复合水凝胶涂层,可实现超纤合成革全效去除水性和油性污渍的效果。超纤合成革经等离子体活化处理后,将含有亲水性处理后的石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))的温敏聚合物单体和交联剂的混合溶液均匀涂覆于合成革表面。利用交联作用和g-C_(3)N_(4)纳米颗粒的可控聚集行为,在超纤合成革表面构筑具有微-纳尺寸突起结构的复合水凝胶涂层。利用K S值表征微-纳结构与光催化作用对超纤合成革表面油性和水性污渍协同清洁效果。结果表明:借助微-纳结构的高比表面积和水凝胶良好的亲水性,协同g-C_(3)N_(4)的光催化特性可以极大地提升油性和水性污渍的去除率,实现改性后超纤合成革的高效清洁性能。

微纳结构CoCrFeNi基高熵合金粉末冶金制备及强韧化机理研究

针对CoCrFeNi基高熵合金强塑性失配问题,提出了基于高能球磨、放电等离子体烧结和热挤压相结合的粉末冶金制备方法,探究了制备工艺参数对晶粒尺寸、第二相颗粒和孪晶组织演变的影响规律,分别制备出由粗晶、细晶和纳米颗粒构成的多尺度异构CoCrFeNiMnTi_(0.2)高熵合金,以及包含超细晶、纳米颗粒和纳米孪晶的CoCrFeNiMnTi_(0.2)高熵合金。拉伸力学性能显示,两种高熵合金屈服强度和断后伸长率分别高达1298 MPa和13%,以及1507MPa和7%,均实现了较好的强塑性均衡。最后,基于对霍尔佩奇系数修订,建立了纳米颗粒增强超细晶CoCrFeNi基高熵合金强化模型,揭示了纳米颗粒与微纳异构组织耦合强韧化机制,以及超细晶、纳米颗粒与纳米孪晶协同强韧化机理,并进一步发现纳米孪晶能够增加高熵合金流变应力,使新的变形孪晶形核,从而诱发多级变形行为。

液相下激光烧蚀快速制备图案化铜微纳结构

为了实现大面积图案化铜微纳结构的制备,基于液相下激光烧蚀技术,以硅片为衬底,将其浸没在含有Cu2O微米粒子的乙醇溶液中,采用纳秒脉冲激光进行加工。研究了激光功率、扫描速度和扫描次数对铜微纳结构的影响,分析了图案化铜微纳结构的形成机制,并研究了图案化铜微纳结构的浸润特性。扫描电子显微镜结果表明,随着激光功率、扫描速度和扫描次数的增加,图案化铜微纳结构中的铜颗粒熔融现象加剧,光斑中心区域的纳米颗粒粒径逐渐增大,光斑交界处形成呈现周期性分布的微米量级单元结构。能量色散X射线光谱证明少量Cu元素分布在光斑中心区域,大量Cu元素集中在光斑交界处。随着扫描次数的增加,样品表面粗糙度和纯净水/食用油接触角均呈现先上升后下降的趋势。当扫描次数为6时,表面平均粗糙度为(1.3±0.11)μm,纯净水接触角可达(155.2±1.5)°,食用油接触角达(100.0±1.3)°。该大面积图案化铜微纳结构制备方法简单快速,无粉尘污染,在微流体芯片、集水系统和废水处理等领域具有广泛的应用前景。

仿秦岭箭竹叶微纳结构疏冰蒙皮

飞机结冰极大威胁飞行安全,严重时导致机毁人亡。适应恶劣寒冷环境的飞机防除冰技术是国际难题,也是中国多型飞机研制必须突破的重大技术瓶颈。本文首次提出一种仿生疏冰雪对象——秦岭箭竹,建立仿秦岭箭竹叶多层不等高微纳结构,揭示了这种独特结构对过冷微小水滴形成弹跳,滚动成冰及滑落的疏冰机制;提出一种基于分层组装的柔性大幅面微纳结构制备方法,实现仿秦岭箭竹叶疏冰结构制备;获得的仿秦岭箭竹叶疏冰表面相较于同材料光滑表面冰粘附强度降低80%,表明秦岭箭竹叶微纳结构具有优异的疏冰效果。结合实际工程应用,研制基于功率密度分区的仿生与电热相结合的疏冰复合蒙皮,据此获得的疏冰复合蒙皮成功完成中小型无人机防除冰功能飞行,并且已成功列装某型号高原型无人机,满足了高寒条件下的有效防除冰飞行要求。仿秦岭箭竹叶疏冰蒙皮也在大型运输机、直升机,以及风力发电、高速列车等领域具有广阔的应用前景。

魔方状微纳结构BaTiO_(3)的制备及其压电催化性能

在简单溶剂热条件下,通过控制钡、钛物质的量之比制备了魔方状微纳结构BaTiO_(3)粉体,并以5 mg·L^(-1)罗丹明B(RhB)溶液为降解对象测试其压电催化性能。采用扫描电子显微镜、X射线衍射、傅里叶变换红外光谱对所制备粉体的物化性质进行详细表征,并测试其压电、光催化活性及循环稳定性。结果表明,钡、钛物质的量之比为1∶1时,合成的粉体为由立方体组装而成的魔方状四方相结构的BaTiO_(3)。在40 kHz、360 W的超声条件下,180 min内的降解率达90%,5次循环后的降解率为79.7%,变化率为11.4%,优于其光催化性能,具备优异的压电催化活性及循环稳定性。

表面微纳结构和化学修饰对润湿性影响研究进展

润湿性是赋予材料表面的重要特征之一,对功能件服役行为具有极为重要的作用。影响表面润湿性的主要因素包括材料表面能、表面表面粗糙度以及表面微纳结构,而鲜有定量研究其间关系。对表面微纳结构和化学修饰对润湿性影响进行研究,首先介绍表面润湿性的三种经典理论模型及润湿理论的最新进展,详细综述国内外学者对表面微纳结构和化学修饰对表面润湿性影响的研究现状,分析并讨论接触角随表面粗糙度变化的内在机理和成因,阐述表面微织构对润湿性的影响及在不同领域内化学修饰的作用,最后总结当前面临的主要问题和未来的发展方向。结果表明,表面微织构和调控表面能是调控材料表面润湿性的关键因素和基本条件;在润湿理论逐步完善的过程中,建立起的修正物理与数学模型使试验数据与理论模型更具匹配性,以期得到适用性更广的理论模型;润湿性表面的制备也逐渐从单一的圆形、方形和沟槽微结构向微-纳多尺度、多层复合微织构和仿生功能性表面的创成与优化等方向发展;激光加工结合其他技术实现多响应、多功能润湿性表面的制备是未来的重要研究方向:材料表面润湿性影响因素众多,除受表面微纳结构和化学修饰的影响外,功能表面会与基底材料和周围环境发生化学反应,也会导致润湿性转变。综述了特殊润湿性表面制备方法和原理及应用领域,可为相关研究提供参考。