一种耐高温的柔性压电/热释电双功能传感器

提高压电聚合物的耐温性,且构建压电特异结构提高电学输出特性,成为柔性耐高温压电/热释电双功能传感器制造的关键.本文采用静电纺丝法制备了聚丙烯腈(PAN)纳米纤维薄膜,通过程序控温对PAN纳米纤维膜进行热处理得到了耐高温的柔性纤维薄膜.研究结果表明,PAN耐高温柔性纤维薄膜纳米传感器可以在高温环境(>500℃)中使用,其输出性能随热处理温度的升高先增大(<260℃)后基本保持不变(260—450℃),最后输出性能减小(>450℃),当热处理温度达到260℃时,输出电压可达10.08 V,输出电流达到2.89μA,与未进行热处理的PAN膜相比,其输出电压和电流分别提高了3.54倍和2.83倍.同时,该传感器在高温环境下的输出不发生变化.发现热处理的PAN具有热释电效应,且热释电输出随着温度梯度的增大而变大.在5000次的敲击循环测试中,经过热处理的PAN纳米纤维薄膜传感器具有稳定的输出,这表明该传感器有望应用在消防安全、航空航天等高温环境中.

硅基底铜基材料电极制备及其储能特性研究

【目的】以过渡金属氧化物、硫化物、氢氧化物为代表的赝电容材料由于其良好的比电容容值、高功率密度和低成本等优势,被广泛用于宏观常规超级电容器的电极中。然而,当前对于过渡金属电极的研究多采用非常温下合成,辅以导电剂、粘合剂固定的加工工艺,制约了其在以硅基底为主的微型超级电容器(micro-supercapacitor,MSC)中的应用。【方法】在硅基底上沉积了钛集流体和铜薄膜,通过兼容微加工工艺的常温原位氧化法制备了氢氧化铜纳米线,并进一步通过浸泡硫化钠溶液实现了原位硫化。【结论】测试结果表明,在1 mA/cm^(2)的电流密度下,硅基底硫化铜的比电容为166.98 mF/cm^(2),较氢氧化铜电极提升了6.68倍,500次充放电循环后电容保持率为74.2%,展现了其在硅基微型超级电容器方面广阔的应用前景。

基于Fe_(3)O_(4)/Ti_(3)C_(2)肖特基异质结的构筑及其光催化性能

Fe_(3)O_(4)具有良好的稳定性、窄的带隙以及对太阳光较高的利用率等特点。但是由于其带隙窄、光生电子与空穴的复合速率快等缺点,不利于光催化反应的进行,并且限制了其在光催化领域的发展。通过一步溶剂热法制备Fe_(3)O_(4)/Ti_(3)C_(2)肖特基异质结的复合材料,避免了复杂的制备过程,有效地抑制了Ti_(3)C_(2)的自氧化。通过构筑肖特基异质结,有效地抑制了光生电子与空穴的复合,显著增强其光催化性能。当Fe_(3)O_(4)与Ti_(3)C_(2)摩尔比为0.5∶1时(FT-0.5),对罗丹明B的降解效率可达81%,其反应速率是单一Fe_(3)O_(4)的3.115倍;光电流密度可达2.52μA/cm^(2),是其单一Fe_(3)O_(4)的2.5倍;禁带宽度为1.90 eV,比单一Fe_(3)O_(4)的禁带宽度拓宽0.24 eV。实验结果验证了Fe_(3)O_(4)与Ti_(3)C_(2)形成的肖特基异质结可以显著地提升其光催化性能,这表明优化的光催化材料有着广泛的应用前景。

NiS/TiO_(2)/Ti_(3)C_(2)三元异质结结构的构筑及光催化产氢性能

二维过渡金属碳化物MXene(Ti_(3)C_(2))因其优良二维层状结构及导电性被认为是一种理想的光催化材料。采用两步水热法结合原位自氧化方法合成了NiS/TiO_(2)/Ti_(3)C_(2)(TCTNS)三元复合光催化剂。运用多种分析手段(场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线衍射仪(XRD)、紫外-可见光(UV-Vis)吸收光谱仪及光电流测试)对其结构进行了表征,研究了其光催化分解水产氢的活性,探讨了材料的组成、结构与性能之间的相互影响。结果表明,与单一NiS和二元TiO_(2)/Ti_(3)C_(2)催化剂相比,复合光催化剂具有更高的光电性能。其可见光驱动的光催化H_(2)产氢速率可达3269μmol/(g·h),是二元TiO_(2)/Ti_(3)C_(2)产氢速率的约19倍。实验结果表明,由于NiS和TiO_(2)纳米颗粒覆盖重建的多异质结界面,以及TCTNS复合光催化剂中存在更多的电子转移通道,复合光催化剂可显著抑制光生载流子的复合,实现高效的光-电能源转换,因此在光催化产氢领域有广阔的应用前景。

Ni掺杂SnO_2花状微结构的制备及其气敏特性研究

采用水热法合成了纯SnO_2和4 mol%Ni掺杂SnO_2花状微结构。利用X射线衍射仪(XRD)、X射线能谱分析仪(EDS)和扫描电子显微镜(SEM)对其晶相、成分进行了表征,对制备的纯的和Ni掺杂SnO_2传感器性能进行了测试。实验结果表明:Ni掺杂可以显著改善SnO_2微结构的气敏特性。在最佳工作温度(280℃)条件下,4 mol%Ni掺杂SnO_2传感器对100×10-6甲醇的响应可达到13.0,其响应是纯SnO_2气体传感器的2.4倍。同时,其具有快速的响应/恢复时间(6 s/5 s),较低的检测极限(1×10-6),以及对甲醇的良好选择性。最后,对Ni掺杂SnO_2气体传感器的气敏机理进行了分析讨论。

氧化钨纳米纤维的制备及其对H_2S的气敏特性

利用静电纺丝法制备了氧化钨(WO_3)纳米纤维。使用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对样品的物相结构和微观形貌进行表征。分析结果表明:制备的WO_3纳米纤维由众多纳米颗粒组装而成,且平均直径约为200 nm。同时,研究了基于WO_3纳米纤维的气体传感器对H_2S的气敏特性。实验结果表明:在工作温度为150℃时,该传感器对体积分数为2×10^(-5)的H_2S气体的响应达到72,响应时间和恢复时间分别为4 s和21 s,且检测极限为5×10^(-9),表明该传感器在低体积分数H_2S气体检测方面有实际应用价值。

石墨烯/银纳米颗粒复合材料的制备及其对双氧水的电化学检测

以氧化石墨烯(GO)和硝酸银为原材料,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为还原剂和稳定剂,通过水热法制备出还原氧化石墨烯/银纳米颗粒(rGO/AgNPs)复合材料。采用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)及紫外-可见分光光度计(UV-Vis)对rGO/AgNPs复合材料的形貌、组成和结构进行表征。同时,将rGO/AgNPs复合材料修饰到玻碳电极表面制备出过氧化氢(H_2O_2)电化学传感器,通过循环伏安法(CV)和计时安培响应法(i-t)对传感器进行电化学性能测试。实验结果表明:制备的rGO/AgNPs传感器具有较好的电化学性能,其对H_2O_2检测的灵敏度为340.6μA·(mmol/L)^(-1)·cm^(-2),响应时间为3s,最低检测极限为7.5μmol/L(S/N=3),线性检测范围为20~4950μmol/L(线性相关系数为R=0.9973)。

基于TEABF_4/PAN-b-PEG-b-PAN柔性超级电容器的性能研究

采用溶液浇注法,以丙烯腈(AN)和聚乙二醇(PEG)制备了聚丙烯腈(PAN)-b-聚乙二醇-b-聚丙烯腈三嵌段共聚物(PAN-b-PEG-b-PAN),以其作为聚合物基体,以四乙基四氟硼酸铵(TEABF_4)为电解质盐,采用二甲基甲酰胺(DMF)作为增塑剂,制备了TEABF_4/PAN-b-PEG-b-PAN凝胶聚合物电解质。以活性炭作为电极制备柔性超级电容器,通过形貌表征和电化学性能测试探究TEABF_4与PAN-b-PEG-b-PAN的最佳质量配比。结果表明:当TEABF_4与PAN-b-PEG-b-PAN质量比为0.5时其性能最佳,电导率可达5.2×10-2S/cm、比电容为96.18F/g、能量密度为90.30Wh/Kg,5000次循环电容保持率为89%。

基于胶原-琼脂糖的组织工程表皮替代物构建研究

从开发新的组织工程表皮替代物出发,选择胶原蛋白和琼脂糖构建复合水凝胶,用于支持表皮细胞生长。采用质量分数2%的胶原蛋白溶液和质量分数2%的琼脂糖溶液构建复合水凝胶,以胶原凝胶作为对照,分别测试胶原-琼脂糖复合水凝胶的形貌、理化性能和机械性能;观察胶原-琼脂糖复合水凝胶与人类永生化表皮(HaCaT)细胞的生物相容性。研究表明,琼脂糖可以改善胶原蛋白的机械性能,当胶原-琼脂糖复合水凝胶支架中两者的含量分别为65%和35%时,可以同时兼顾支架的机械性能与生物相容性。基于胶原-琼脂糖的复合水凝胶是一种理想的组织工程表皮替代物。

星形电极介电泳芯片

提出了一种利用负介电泳力在介电泳芯片上富集聚苯乙烯(PS)微球的有效方法:采用lift-off工艺在玻璃衬底上设计并制作了星形结构的微电极,在高频交流信号作用下,星形电极芯片能够提供一个特定的非均匀电场,从而产生负介电泳力。研究了交流信号的幅值和频率、工作液电导率和浓度等参数对PS微球富集效果的影响。结果显示,在交流信号的电压参数VP-P为9 V,频率参数为1 MHz时,低电导率PS微球悬浮液添加到介电泳芯片上时,PS微球在电极中心区域高效率富集。在负介电泳力辅助下,浓度范围在0.33 amol/mL~2.08 amol/mL的PS微球悬浮液内可形成微球团簇状态。研究结果在分子细胞生物学、药理学和生物化学有潜在的应用前景。

基于磁弹性生物传感器检测癌胚抗原

基于磁致伸缩材料将巯基十一烷酸自组装于磁弹性芯片,经N-羟基丁二酰亚胺(NHS)和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)活化后固载癌胚抗原抗体(AntiCEA),设计构建了一种新型且低成本的磁弹性生物传感器,基于抗原-抗体特异性识别以及传感器质量增加其共振频率降低的机理,实现对癌胚抗原(CEA)的检测。采用荧光显微镜对异硫氰酸荧光素标记的癌胚抗原抗体(FITC/Anti-CEA)功能化浓度进行了优化,采用原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)对裸金层、自组装膜(SAM)、Anti-CEA负载以及CEA检测进行了表征。实验结果表明,Anti-CEA最佳修饰质量浓度为50μg/mL,CEA线性响应范围为200~1000 ng/mL,检测下限为200 ng/mL。该磁弹性生物传感器有望实现高灵敏快速癌症标志物CEA的检测。

界面润湿性对石墨烯流固摩擦能量输出的影响

为深入了解界面润湿性对流固摩擦能量输出的影响机制,该文利用石墨烯薄膜制作不同界面接触角的俘能结构并进行实验测试。此外,基于分子动力学理论建立Couette模型并进行仿真验证。研究发现,俘能结构输出的电压随着接触角的增大而增加,接触角为69.5°的俘能结构对应输出的电压是0.95 m V,相比接触角为45°时输出的0.57 m V增长67%;输出的电压极性与溶液流动的方向有关;而且电压幅值与溶液流动速度及浓度有关,与流动速度成非线性关系。结合模拟结果提出一种界面润湿性对流固摩擦能量输出效率的影响机制,结果表明:宏观接触角是表征界面对水分子的束缚力的参数,也是影响溶液在界面附近滑移速度的关键因素,溶液离子拖动电子移动速度受滑移速度影响,并将最终决定输出电压大小。

基于变论域模糊PID的3D打印机喷头运动控制

针对Delta型3D打印机喷头运动过程中表现出的控制精确度低和运动不稳定等现象,提出变论域思想与自适应模糊PID相结合的控制策略。通过对打印机喷头运动过程分析,得到各轴电机在设定目标位置下位移换算模型;对混合式直线步进电机建模,得出其位移运动传递函数。然后设计了基于变论域模糊PID的控制器,并在Matlab/Simulink环境下对控制系统进行了建模与仿真实验。结果表明设计的控制系统对Delta型3D打印机喷头运动控制有很好的效果,不仅提高了控制精确度,还拥有更小的超调量和更快速的调节响应。

交流电沉积制备PEDOT∶PSS有机电化学晶体管

使用3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)与聚(4-苯乙烯磺酸钠)(NaPSS)的混合水溶液为电解液,采用交流电沉积法在Pt微电极对之间沉积形成薄膜、线、枝晶等不同形貌结构的有机半导体(OS)沟道层。以NaCl电解质作为栅介质,Ag/AgCl电极作为栅极,一对Pt微电极中一个为源极,另一个为漏极,制备形成有机电化学晶体管(OECT)。采用计时电流法和循环伏安法对Pt电极聚(3,4乙烯二氧噻吩)∶聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT∶PSS)聚合过程进行了表征与检测。结果表明EDOT的氧化电位为0.9 V,PEDOT∶PSS的过氧化电位为1.2 V,电沉积制备PEDOT∶PSS的过程中物质输运扩散受限。进一步基于介电泳、电泳以及粒子间的聚合力分析了电化学参数对OS层形貌的影响规律。使用Keithley 2636B源表对OECT进行测试,结果表明制备的OECT为p耗尽型器件,薄膜状OS沟道层的器件性能最好,其跨导达到0.8 mS,开关比达到400。

AgNWs柔性传感器模板法制备与性能分析

基于银纳米线(AgNWs)优良的导电性、优异的透光性、耐曲挠性等特点,制备了高长径比的AgNWs;利用模板法将AgNWs材料和聚二甲基硅氧烷(PDMS)结合,制备了柔性薄膜应力传感器。通过对该传感器的性能测试与结果分析,得到其最大应变系数为517.24;通过按压和脉搏测试实验证明:制备的柔性应力传感器可用于微小应力检测,电子皮肤、生命体征检测等领域。

枝晶纳米银的电化学葡萄糖检测

报道了在纯硝酸银溶液中通过电沉积方法制备枝晶结构的纳米银(Dendritic silver powders)修饰玻碳电极用以电化学检测葡萄糖的方法。通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)对合成的银进行了结构形貌的表征,并且分别采用循环伏安法(CV)和交流阻抗(EIS)进行了进一步的电化学表征,结果表明,枝晶结构的纳米银具有良好的电化学特性。通过选择合适的沉积条件,在铜网上进行恒电位沉积,形成枝晶纳米银结构,超声将其震落以修饰玻碳电极用于葡萄糖的检测。采用计时电流法对葡萄糖进行检测,最佳条件下的检测限为3.0×10^-7 mol/L(3倍信噪比).该非酶葡萄糖传感器具有检测限度低﹑灵敏度高﹑成本低等优点,有良好的应用前景。

双极电化学法制备有机电化学晶体管阵列

有机电化学晶体管(OECT)被广泛应用于生物传感领域,制备阵列化器件有利于提高传感器的测试通量,降低制造成本。研究了双极电化学在OECT交流电沉积制备中的应用。基于扫描电子显微镜和数字源表,探究了交流电压频率对聚(3,4-乙烯二氧噻吩)∶聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT∶PSS)薄膜形貌和OECT器件性能的影响。实验结果表明,交流电压频率从100 Hz增加到1 000 Hz时,PEDOT∶PSS薄膜的宽度从7.5μm减小到3μm,器件的最大跨导值从1.5 mS减小到0.2 mS,电流开关比从330降低到78,响应时间从9.42 ms下降到4.25 ms。使用该方法制备的OECT具有较好的重复性。最后,将微电极对的个数增加到5对,制备了1×5 OECT阵列器件,OECT阵列的性能具有较好的均一性。

Cu_2O镂空材料的制备及其光催化性能研究

采用空气氧化法制备了六角状氧化亚铜的镂空结构。在空气中氧气的辅助下,液相还原法制备的形貌、尺寸均一的六角状氧化亚铜(Cu2O)可被原位镂空成鱼骨状结构。采用扫描电镜(SEM)、X线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、比表面积测试(BET)、紫外-可见吸收(UV-Vis)光谱等手段对Cu2O材料进行形貌、结构及催化性能表征。结果表明,六角状Cu2O沿{100}和{111}面逐步向内腐蚀镂空,在空气辅助腐蚀2h后,材料的比表面积相比镂空前增加了90%。光催化实验结果表明,镂空Cu2O材料的光催化性能提高了30%。

硅基氧化铁电极的制备及其电化学性能

氧化铁以其优异的理论比电容、大电压窗口和低成本等优势被广泛用于超级电容器的电极材料。然而,当前氧化铁电极的制备主要以不锈钢片或者泡沫镍为基底,很难与传统硅基微加工工艺相兼容,制约了其在微型超级电容器与便携式电子设备中的应用。为实现氧化铁材料与传统微纳加工方法的结合,在硅基底上依次进行钛集流体的沉积、氧化锌纳米棒的生长,并通过浸泡氯化铁溶液对氧化锌纳米棒进铁化的方法成功加载了氧化铁材料。实验中通过改变铁化的时间,研究了硅基氧化铁表面形貌、化学组分与电化学性能。通过三电极体系进行的电化学测试表明,在1.0 mol/L的硫酸钠电解质和1 mA/cm^(2)的电流密度下,硅基氧化铁的比电容为94.2 mF/cm^(2),1000次充放电循环后电容保持率为70.8%。此方法为制备高性能硅基微型超级电容器提供了新的思路和解决方案。

改进Mask R-CNN在航空影像目标检测的研究应用

针对通用目标检测算法在检测航空影像目标所表现的性能缺陷,提出一种改进Mask R-CNN算法用于航空影像的目标检测。该算法增加图像融合网络,将可见光图像与红外图像进行融合,消除目标被阴影遮蔽对检测造成的影响;同时改进了特征金字塔结构,使特征提取过程中的高层语义特征和低层定位信息得到充分融合,各尺度目标的检测精度得到提升;为解决小目标检测精度低和定位难度高的问题,该算法采用新型区域建议网络SD-RPN,在不同深度的卷积层设置合理大小的滑动窗口,用以检测不同尺度类型目标,使建议区域更加精准。实验结果表明,相比较主流检测算法,该算法在VEDAI数据集上表现出色,检测精度提升较大,尤其是小目标检测的精度提升显著。