微纳复合结构MFe_2O_4负极材料的可控合成与性能

采用新溶剂热体系一步合成MFe2O4(M=Zn/Co)负极材料.通过调控反应时间可分别制备出由一次纳米颗粒组装成的亚微米级空心和实心球形结构复合材料.与实心球形微纳复合材料相比,空心球形微纳复合材料具有结晶度高、颗粒粒径大、放电比容量高、循环性能好及电化学阻抗低等优点.空心球形Zn Fe2O4和Co Fe2O4样品充放电循环50周后分别保持655和1180 m A·h/g的比容量,远高于实心球形Zn Fe2O4和Co Fe2O4材料的305和524 m A·h/g,说明微纳复合铁酸盐材料的结构和组装形式对其电性能有较大影响.

微纳复合SiO_2气凝胶超级绝热建筑外墙保温材料

我国建筑能耗巨大并处于高速增长期,而现有的建筑外墙保温材料各有缺点,如保温性能差,耐候性差等,因而保温效果极好、阻燃、耐候的纳米多孔气凝胶基外墙保温材料日益受到人们的青睐。基于Si O2气凝胶的超级保温隔热特性,针对成本、使用寿命和燃烧性等建筑材料最关注的问题,通过微纳复合技术,提出了有效的解决方案并形成了规模化生产。通过仿真模拟计算发现,使用气凝胶复合保温板的建筑耗能将明显降低。

疏水植物表面微纳复合结构电铸模芯的制备

以竹叶下表面为疏水生物母板,针对疏水表面电铸成型的特殊性,分别采取湿润剂浸润处理和阴极水平旋转运动两个技术手段改善微纳复合结构的电铸成型质量。结果表明:浸润处理可有效提高沉积离子在微纳米凹槽内部的沉积,阴极水平旋转对提高电铸镍模芯宏观质量和微观结构复制质量均有一定效果。采用浸润处理与阴极旋转相结合的电铸复制工艺,可明显提高竹叶下表面微纳复合结构的复制质量,成功实现具有疏水植物表面微纳复合结构的模塑成型镍模芯的高质量制备。

基于图像处理技术界定微纳复合织构防覆冰性能

目的制备具有防覆冰性能的微织构表面,准确评价微织构表面的结冰性能。方法采用激光二次扫描方法,以铝合金为基底,构筑沟槽-凹坑型复合微织构表面,以水滴在其表面结冰过程的图像为对象,采用阈值法分割图像和背景,对提取出的图像进行形态学运算,通过分析水滴结冰过程中的轮廓变化规律,研究水滴结冰过程的状态变化,进一步界定水滴的结冰时间。结果纳秒激光一次扫描形成的沟槽结构,增加了试件表面的粗糙度,使铝合金表面接触角由54.4°提高到116.5°,实现了铝合金表面的疏水性能。而二次扫描构建的沟槽-凹坑复合微织构,形成了C^w-C^n接触模型,进一步提高了试件表面的疏水性,试件表面接触角增大至154.4°。超疏水表面成核能垒高,且沟槽-凹坑复合微织构捕获的空气降低了固液界面的热交换速度,是铝合金表面结冰时间由11s延长到551s的原因。图像处理方法准确界定了水滴在结冰过程中的三个阶段。采用Harris角点检测法,可以实现精确判断结冰完成时间,减小了肉眼判断结冰状态所带来的主观误差。结论纳秒激光二次扫描构筑的沟槽-凹坑复合微织构可以有效提高Al7075表面的疏水性,并延缓水滴在其表面的结冰时间。图像法处理提取的表面轮廓,为研究分析水滴在结冰过程中的状态变化提供了一种新思路。

微纳复合结构表面稳定润湿状态及转型过程的热力学分析

自然界中的微纳复合结构超疏水表面由于其独特的润湿性质引起了人们的广泛关注,大量实验研究表明了仿生人工微纳复合结构表面润湿性能的优越性,然而液滴在微纳复合结构表面的润湿状态和转型过程的理论研究还并不完善.本文首先用热力学方法分析了液滴在微纳复合结构表面可能存在的所有状态(四种稳定润湿状态和五种亚稳态到稳定态转型中的过渡态),推导出了相应的能量表达式及表观接触角方程;基于最小能量原理,确定液滴在微纳复合结构表面的稳定状态,较以往模型相比,能够更好的预测已有的实验结果;其次研究了微纳结构尺寸对稳定润湿状态和亚稳态到稳定态转型过程的影响;最后提出了微纳复合结构表面设计原则,即确定"超疏水稳定区"尺寸范围,为超疏水表面的制备提供理论依据.

润湿性对微纳复合结构表面池沸腾换热的影响

为揭示润湿性对微纳复合结构表面池沸腾传热的影响,采用电刷镀工艺和表面改性技术在紫铜表面制备了接触角分别为6.5°和148.6°的超亲水性和超疏水性微纳复合结构,通过实验对比研究了不同表面的饱和池沸腾传热特性,结果表明:(1)超亲水性和超疏水性微纳复合结构的最大换热系数较光表面分别提高了3倍和1.5倍;(2)在q<580k W×m^(-2)的低热流密度区,超疏水性微纳复合结构的换热系数最大;当q>580 k W×m^(-2)时,超亲水性微纳复合结构的传热性能开始优于超疏水性微纳复合结构;(3)超亲水性微纳复合结构表面的临界热流密度较光表面和超疏水性微纳复合结构分别提高了110%与60%;微纳复合结构显著增加了受热表面的气泡核化密度,而亲水性微纳复合结构的毛细吸液能力要显著强于疏水性微纳复合结构,是临界热流密度增大的主要机理。

微纳复合结构钛涂层的制备及其生物相容性研究

目的：在钛表面构建微纳复合结构涂层,并对其表面结构及生物相容性进行初步研究。方法：通过喷砂酸蚀、混合碱热处理的复合工艺,在钛表面构建新型微纳复合涂层,使用扫描电子显微镜（SEM）及X-射线能量分散分光计（EDS）对试件表征进行观察;使用CCK-8试剂盒检测该涂层的细胞毒性;进一步检测该涂层对于前成骨细胞（MC3T3-E1）粘附与增殖活性的影响。结果：钛表面微纳复合结构中,微米孔直径3-5μm,纳米孔直径100-200nm;新型涂层表面增加了钠元素和钙元素;体外细胞存活率实验表明该涂层细胞毒性0级;体外细胞粘附实验表明：第1、2h,细胞粘附活性在喷砂酸蚀处理组（MTi组）及混合碱处理组（NTi组）均明显强于单纯抛光组（STi组）,同时NTi组最强。体外细胞增殖实验表明：第1、4、7天MTi组的A值均小于STi组,具有统计学差异。NTi组的A值先是小于,后逐渐大于STi组。结论：相较于单独微米结构钛涂层,微纳复合结构钛涂层具有更接近于自然骨的分级结构以及更优良的生物活性。

微纳复合表面HFE-7100/水的BRT现象及沸腾传热特性

HFE-7100/水作为非共沸不互溶工质可以拓宽核状沸腾传热的有效温区,目前关于其在微纳复合表面的沸腾传热特性和气泡运动机理尚不明晰。利用气泡模板电沉积法在铜基表面上制备了具有微纳孔洞的复合结构,测试了HFE-7100/水的沸腾传热特性,并通过可视化探究了沸腾工质转换(BRT)过程中两相工质在表面的润湿状态和气泡运动现象。结果表明,微纳复合表面上HFE-7100/水的BRT过程中,气泡先后经历小气泡聚并、气膜膨胀、轻工质接触壁面核化三个过程。在BRT过程中,HFE-7100与水对热壁面的润湿性存在竞争关系,随着过热度增加,薄的HFE-7100液层难以维持稳定的重工质沸腾,上层水工质可以穿过HFE-7100层对热壁面实现完全润湿,完成BRT过程。与单一工质相比,常压下HFE-7100/水混合工质体系可以在343~423 K下实现高效的核状沸腾传热。该研究揭示了HFE-7100/水在微纳复合表面的沸腾传热特性,为沸腾强化表面设计提供了思路。

利用胶体探针技术研究多巴与纳米、微米及微纳复合结构表面之间的相互作用

通过在硅片表面有机蒸镀不同厚度的二十九烷制备了不同晶体密度的仿生旱金莲叶面蜡质纳米结构表面,采用端基修饰多巴的原子力显微镜胶体探针,对各纳米结构表面进行了粘附性能测试,发现蒸镀200 nm厚度二十九烷结晶的纳米结构表面具有较低粘附力。采用反应离子刻蚀方法制备了不同高度的硅材质仿生鲨鱼皮微米结构表面,并选择了200 nm厚度二十九烷在仿生鲨鱼皮表面进行有机蒸镀制备了微纳复合结构表面,通过胶体探针的研究发现多巴与高度为1、3、5μm微纳复合结构表面的粘附力均小于与200 nm厚度二十九烷结晶的纳米结构表面之间的粘附力,说明微纳复合结构表面具有很强的抗多巴粘附能力,并且这种复合结构表面相对于硅材质的仿生鲨鱼皮微米结构表面还兼有旱金莲叶面的强疏水性和极佳的抗水粘附能力。

微纳复合结构黑硅的制备及其近红外光谱特性

具有高效抗反射微结构的黑硅材料在光电领域具有重要的应用价值。采用两步金属辅助化学刻蚀法制备了“金字塔”硅和“金字塔—纳米线”微纳复合结构黑硅材料;依次采用场发射扫描电子显微镜,近红外光谱仪和拉曼光谱分别对样品的微观形貌,反射率和结构性质进行了表征;采用量子限制模型(QCM)解释了黑硅的拉曼光谱散射光强度明显增强的机制;并采用陷光模型及多层薄膜干涉理论分析了黑硅的微结构抗反射机制。结果表明,微纳复合结构黑硅材料在900~1700 nm波段内平均反射率为11.94%,与金字塔硅和抛光硅片相比,分别降低了77.32%,54.95%;通过拉曼光谱图分析,刻蚀前后其成分没有发生改变,依然是单晶硅片,黑硅表面的纳米尺度微结构提高了其拉曼光谱散射光强度;黑硅的反射率降低是由于入射光在微纳结构内部多次反射,以及微纳米结构之间建立了折射率渐变层减少了折射率突变带来的反射。研究结论对于提升功能材料在近红外波段激光吸收效率具有参考价值。

原位溶剂热和热压制备微纳复合n型CoSb3及热电性能

在块体材料中引入纳米组元构建微纳复合材料是热电材料研究的一个新方向.采用原位溶剂热和热压方法制备了由纳米晶粒和微米晶粒组成的n型CoSb3复合材料.以COCl_2、SbCl_3为原料,NaBH_4为还原剂,乙醇为溶剂,与熔炼制备的n型CoSb_3微米级别的粉末一起放入高压反应釜中,在250℃下反应72h得到微纳复合的粉末材料,热压后得到微纳复合的块体材料.性能测试结果表明,该材料表现为典型掺杂半导体的导电特征,具有较好的电学性能.微纳复合结构引入大量晶界增强了声子散射,能有效降低材料的热导率,并且由纳米组元引起的量子效应能提高材料的Seebeck系数。使材料的热电性能得到改善.本工作所制备的微纳复合n型CoSb_3具有较低的热导率,在测试温度范围内,热导率为2.0～2.3W.m^(-1).K^(-1).材料的最大无量纲热电优值在600K时达到0.5.

基于等离子体处理的微纳复合结构制备及其OLED光提取性能研究

通过光刻工艺和热熔法,制备了形貌均匀、尺寸可控的微透镜阵列,通过反应离子刻蚀技术制备用于改善光提取性能的纳米光栅结构,成功制备出高效光提取的微透镜/纳米光栅组合的微纳复合结构。研究了等离子体处理对纳米光栅形貌的影响规律、纳米光栅的形成机理以及微透镜/纳米光栅微纳复合结构光提取性能。实验结果表明,通过改变等离子体处理工艺条件,可实现纳米光栅周期与深度的调控,从而得到不同尺寸的微透镜/纳米光栅复合结构。当微透镜高度约为19.6μm,纳米光栅尺寸约为周期600±50 nm、深度20±5 nm时,微透镜/纳米光栅微纳复合结构可以在不改变绿光有机电致发光二极管器件电学特性的前提下,有效提高有机电致发光二极管器件的外量子效率,比单纯的有机电致发光二极管器件提高33%。

微槽群结构对微纳复合表面汽泡周期的影响

将涂有250nm钛纳米涂层,且具有不同微尺度结构的微槽群竖直放置,采用高速摄影技术对热沉中的汽泡周期进行可视化研究.研究结果表明:当热流密度较小时,汽泡周期随着微槽深宽比的增加而减小;随热流密度的增大,汽泡周期逐渐减小;微尺度效应对汽泡周期的影响随着热流密度的增加而减弱.

聚乳酸微纳复合泡孔的结构与性能研究

通过熔融共混制备聚乳酸(PLA)/聚(己二酸丁二酯-对苯二甲酸丁二酯)(PBAT)共混物。以环氧扩链剂(CE)为相容剂,研究了CE含量对共混物的流变行为、结晶行为的影响,并研究了CE含量为5份的共混物在冷结晶温度下的发泡行为以及泡沫的拉伸性能。结果表明,共混体系的相容性、结晶速率随着CE含量的增加而增加、可发性提高,在添加了5份CE的共混物中得到了微纳复合泡孔,泡孔密度达到1013个/cm^3,相对于PLA泡沫,共混物泡沫的断裂伸长率提高了40%。

钛表面阳极氧化制备仿生化的微纳复合结构

本研究通过在Zn(NO3)2水溶液中对纯钛进行一步阳极氧化,制备了具有微米级凹坑以及规整排列于凹坑内部的蜂窝状纳米孔阵列的复合膜层。同时对加载电压(15~60V)以及电解液浓度(1~12g/L)进行调整,研究了该膜层形成条件以及上述两种参数对微纳形貌的影响,并对该仿生化膜层的生物相容性以及碱性磷酸酶活性进行评价。研究结果表明,微纳复合结构可以在氧化电压大于30V时形成,其粗糙度随着电解液浓度增大而降低、氧化电压增大而增大,纳米孔孔径则随着电解液浓度以及氧化电压的增大而增大。60V电压下样品的生物相容性研究表明,粗糙度在Ra=0.8μm左右能促进细胞粘附以及碱性磷酸酶分泌,而较低粗糙度的表面(Ra<0.5μm)则对于成骨细胞活性的提高有一定的促进作用。

微纳复合结构中间相球形软碳的性能

为研究微纳复合结构中间相球形软碳材料的电化学性能以及用于储能锂离子电池的优势,对软碳材料的结构、扣式半电池和成品全电池的性能进行测试。制备的球形软碳外形圆整、分布均匀,球径较小,经炭化后的微球结晶度增大,炭材料的整体结构变好。制作的扣式半电池在0.005~2.000 V充放电,0.1 C首次库仑效率约为87.1%,2.0 C充电容量为1.0 C时的84.8%,0.5 C循环50次的充电容量保持率为99.9%。装配的50 Ah全电池在2.3~4.2 V充放电,2.00 C、3.00 C放电容量保持在80%以上,在-20℃时,放电容量仍可达到80%以上,以0.50 C循环600次的容量保持率为97.7%。

微纳复合结构对铝基表面疏水性及黏附性的影响分析

为研究具有黏附特性的超疏水表面,利用机械刻划和阳极氧化复合加工方法在铝基表面制备出二级微纳复合结构,通过V型刻刀加工出一级微米级沟槽阵列结构,采用阳极氧化工艺对已加工表面进行加工,获得二级复合微结构。研究一级沟槽宽度和不同二级粗糙因子对粗糙表面疏水性及黏附性的影响,使用金相显微镜和接触角测量仪观察铝基表面形貌和润湿性。研究结果表明:二级微纳粗糙结构令试样表面接触角由加工前的57.2°提升至151.4°,最大达到157.8°。通过调整沟槽宽度,还可使水滴对表面的附着从低附着状态(沟槽宽度为120μm)转变为高附着状态(沟槽宽度为240μm或300μm)。结果表明,采用该复合方法制备的粗糙表面具有良好的疏水性、低黏附性或高黏附性。

微纳复合沟槽形铝合金表面的结冰性能

为开发具有抗结冰性能的稳定性铝合金功能表面,采用高速电火花线切割加工技术(Wire cut electrical discharge machining,WEDM)在铝合金表面加工出沟槽形复合微结构,对其润湿性和结冰性能进行测试,并对机理进行分析。结果表明,铝合金表面构建的微纳复合微结构形成了"气垫"效应,减少了液滴与基底的接触面积,增加了液滴在材料表面的表观接触角。测试环境的温度和湿度由于分别改变了材料表面液滴的表面张力和液滴体积,从而改变了材料表面的润湿性。材料表面的润湿性对抗冰效果有重要影响,超疏水表面表现出优异的抗结冰性能,疏水表面次之。抗结冰机理分析发现,沟槽内微结构"捕获"的气体,减小了液滴与固体表面的实际接触面积,加大了液滴重心与冷表面间的距离,增大了形成冰核的热力学势垒,延长了结冰时间,使微结构表面具备一定的抗结冰效果。

微纳复合结构超疏水涂层的制备及性能研究

以正硅酸乙酯(TEOS)和含有不同官能团的硅烷偶联剂为主要原料,通过溶胶-凝胶法制备出表面含有氨基、有机氟及丙烯基的改性SiO_(2)纳米颗粒,通过与带环氧基的SiO_(2)亚微米颗粒进行化学键合,得到微纳复合结构的SiO_(2)颗粒,采用刮涂法制备出超疏水涂层。探讨了TEOS、催化剂和水含量对改性SiO_(2)纳米颗粒粒径的影响规律,以及微纳复合结构SiO_(2)颗粒添加量对涂层疏水性能的影响。结果表明:TEOS和催化剂含量是影响改性SiO_(2)纳米颗粒粒径的主要因素,水含量对粒径影响不明显;当TEOS、催化剂和水的质量分数分别为3.8%、2.0%和6.4%时,改性SiO_(2)纳米颗粒平均粒径为9.6nm。丙烯酸树脂与微纳复合结构SiO_(2)颗粒质量比为1∶2时,物理法超疏水涂层的水接触角为150.6°,达到了超疏水效果,化学改性超疏水涂层的疏水性能略低,但其耐磨性能较优。

具有微纳复合结构的图案化生物材料对细胞生长行为的增强控制作用

介绍了细胞生长基底表面微图案化的微纳复合结构特征对细胞黏附、迁移以及分化行为的增强控制和引导作用。并对目前存在的问题和今后发展方向进行了讨论,为微图案化生物材料在生物医学领域的深入应用提供参考。