关键词： 氧化石墨烯   枯落物分解   养分释放与归还   微生物  

摘要： 氧化石墨烯(GO)具有比表面积大、含氧官能团丰富等特性,广泛应用于化学催化、生物医学及环境保护等多个领域。近年来,大量研究表明GO进入土壤环境中可能会对植物、微生物的生长产生重要影响,且适宜浓度的GO可促进植物生长发育及微生物丰度提升。各类植物生长成熟后的枯落物在土壤中受微生物的作用分解是自然界物质与能量循环的重要环节,故GO对土壤中枯落物的分解影响值得关注。本文以杨树叶和玉米秸秆混合物为供试枯落物,采用分解袋法,探究在耕地土、盐碱土环境中GO对枯落物分解的影响。在耕地土和盐碱土中进行为期120天的分解实验,通过测定分析枯落物质量损失、枯落物和土壤养分含量变化、土壤酶活性及微生物群落结构变化情况,探究GO对土壤中枯落物分解的规律机制。进一步在微生物相对匮乏的盐碱土中加入菌剂进行为期120天的枯落物分解实验,探究GO能否强化菌剂促进枯落物分解。研究主要结论如下: (1)添加GO能促进土壤中枯落物的分解和养分释放,且分解程度与GO的添加量有关。在耕地土和盐碱土中,不同浓度的GO(5 mg/L、25 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L)都可促进枯落物分解,其中25 mg/L的质量损失率最大,纤维素和木质素含量最低,说明在无外加菌剂情况下,适宜浓度的GO可促进土壤中枯落物分解。在两种土壤中分别为GQ25(耕地土中添加25 mg/L的GO和蚯蚓粪,下同)、YQ25(盐碱土中添加25 mg/L的GO和蚯蚓粪,下同)处理的枯落物质量损失率最高,在120天后GQ25、YQ25处理的质量损失率分别为59.9%、59.1%。枯落物中碳、氮、磷元素大部分时间表现为GQ25、YQ25处理的相对归还指数值(RRI)最大。土壤中腐殖酸、全氮、全磷、铵态氮、速效磷、有效钾的含量都表现为YQ25、GQ25处理最高。说明25 mg/L的GO可促进枯落物中碳、氮、磷元素释放,提高分解速率,并为土壤提供一定的养分。 (2)GO可强化外加菌剂对盐碱土中枯落物的分解,在最优GO浓度下处理下,GO可协调外加菌剂促进盐碱土中枯落物的分解。在120天后,CJ25(添加GO和菌剂,下同)处理下,质量损失率均达65.6%,比对照提高了29.9%,比单独添加菌剂处理提高了13.7%。枯落物中碳、氮、磷元素大都表现为CJ25处理的相对归还指数值(RRI)最大,说明GO能强化菌剂加速枯落物中碳、氮、磷元素释放。分解120天后,土壤中CJ25处理的腐殖酸、全氮、全磷、铵态氮、速效磷、有效钾含量比其余处理分别高52.0%～124.2%、25.6%～61.7%、31.3%～60.3%、9.7%～70.6%、13.3%～22.2%、9.5%～49.6%,说明GO能强化菌剂促进枯落物分解,一定程度上提高土壤中的养分。 (3)添加GO有助于土壤中酶活性提高和微生物丰度和多样性提高,进而促进了枯落物分解。在耕地土和盐碱土中,土壤酶活性均在60天时最高,且GQ25、YQ25处理的酶活性显著高于其余处理。耕地土中溶杆菌属(Lysobacter)、好氧异养菌属(Chryseolinea)、镰刀菌属(Fusarium)的丰度提高,盐碱土中溶杆菌属(Lysobacter)、镰刀菌属(Fusarium)的丰度提高,均有利于促进枯落物分解,说明GO能丰富土壤菌群,从而促进枯落物分解。在盐碱土中加入外来菌剂后,土壤中酶活性大多时期表现为CJ25处理的酶活性显著高于其余处理,同时CJ25处理显著提高细菌的Shannon指数,CJ25处理提高土壤中假单胞菌属(Pseudomona)、被孢菌属(Mortierella)、镰刀菌属(Fusarium)的丰度,说明GO能强化菌剂,增加细菌物种多样性,并提高物种丰度,从而促进枯落物分解。 本论文探索了GO、GO与菌剂对枯落物分解的影响,并通过枯落物质量损失、枯落物和土壤养分含量变化、土壤酶活和微生物群落结构验证GO、GO与菌剂能促进枯落物分解,为GO对枯落物分解的影响提供一定的理论依据。

关键词： 旋转运动   石墨烯增强复合材料   截锥壳   屈曲   振动   优化  

摘要： 在工程实际中,圆锥壳结构常作旋转运动,且常受到高负荷、高温等苛刻环境作用。石墨烯具有极高的强度、良好的韧性、导热性和电学性能,且与聚合物基体较好的相互作用,可用作复合材料的增强相。因此,在目前作旋转运动的石墨烯增强复合材料截锥壳动力特性及优化设计鲜有研究的情况下,本文以石墨烯增强复合材料(Functionally graded graphene-reinforced composites,简称FG-GRCs)截锥壳为研究对象,研究其在旋转运动和复杂环境作用下的振动和屈曲特性及优化设计,为同类截锥壳的研究、设计及为石墨烯增强复合材料在土木、交通等工程结构的推广应用提供理论基础。全文主要研究内容和研究结果如下: (1)以孔隙体积组分为基本参数,改进现有多孔FG-GRC物性参数的计算模型。考虑旋转运动产生的初始应力,根据Hamilton变分原理建立旋转运动截锥壳的控制方程,并用微分求积法(differential quadrature method,简称DQM)求自振频率和屈曲临界转速的解。通过数值算例分析了石墨烯、孔隙、边界条件等因素对振动频率及屈曲临界速度的影响。结果表明,添加少量石墨烯会显著提高壳体正、反向固有频率和屈曲临界转速,且孔隙系数越小,壳体无量纲频率和屈曲转速越大。 (2)考虑热环境和周围弹性介质的影响,基于一阶剪切变形理论建立热环境和弹性介质作用下旋转运动的FG-GRC多孔截锥壳的动力平衡方程。用DQM法计算截锥壳振动频率,并根据振动频率为零计算屈曲临界转速。通过数值分析了热环境、弹性介质参数、壳体几何参数及边界条件等因素对壳体固有频率和屈曲临界转速的影响。结果显示,屈曲临界转速随环境温度的升高而降低,且环境温度变化越大,壳体屈曲临界转速下降越快。 (3)根据改进的灰狼优化算法建立旋转运动下FG-GRC多孔层合截锥壳的屈曲优化模型,确定层合截锥壳的最优设计参数,并系统分析了石墨烯分布模式及含量、孔隙体积分数、壳体分层数和环境温度等因素对FG-GRC旋转层合截锥壳优化结果的影响。结果显示,石墨烯质量含量显著提高了壳体最优屈曲临界转速,但石墨烯分布模式对壳体最优屈曲临界转速影响不大。 本文对旋转运动FG-GRC截锥壳的屈曲、振动及优化问题进行研究,为FG-GRC壳体结构在工程领域的设计、应用提供重要的理论依据和技术参考,并可促进其在航空航天、土木、交通等领域的广泛应用,为提高工程结构的性能和可靠性做出贡献。

关键词： 声子极化激元   表面等离激元   有限元法   时域有限差分法   动态调控  

摘要： 极化激元学的研究对象是通过光子与物质表界面微观粒子之间的耦合所产生的新型电磁波模式。它能够突破传统光学的衍射限制,实现对电磁场在亚波长范围内的精细调控。近年来二维材料的出现极大地促进了极化激元领域的发展,二维材料极化激元具有高空间局域、低传播损耗、长传播寿命等优势,在光芯片、量子计算、高灵敏度生物传感等器件领域有着广阔的应用前景。设计低损耗且易于调谐的极化激元并实现其精确控制是满足上述器件实际应用的关键挑战。因此,本文借助有限元法和时域有限差分法从理论上对石墨烯与二维材料范德华异质结极化激元进行仿真模拟,并实现对极化激元的动态调控,为构建新型平面微纳光子学器件提供了理论参考。主要研究内容如下: 1.利用有限元法和时域有限差分法对石墨烯与α-Mo O3异质结构杂化极化激元进行仿真模拟。首先,设计了基于单层石墨烯与单层α-Mo O3纳米片堆叠的异质结构的杂化极化激元仿真模型。当石墨烯费米能级较低时,石墨烯等离激元与α-MoO3声子极化激元耦合较弱,该异质结构的杂化极化激元表现出开放的双曲状波前。当石墨烯费米能级较高时,石墨烯等离激元与α-Mo O3声子极化激元耦合较强,该异质结构的杂化极化激元表现出闭合的椭圆状波前。通过改变石墨烯的费米能级,实现了石墨烯与单片α-Mo O3堆叠的异质结构极化激元的拓扑转变。其次,还通过改变石墨烯费米能级,实现了对石墨烯与扭转双层α-Mo O3堆叠的异质结构极化激元的传播特性调控。所采用有限元法和时域有限差分法得到的仿真模拟结果保持一致。 2.利用有限元法对石墨烯与α-V2O5异质结构杂化极化激元进行仿真模拟。首先,设计了石墨烯与单层α-V2O5纳米片堆叠的异质结构的杂化极化激元仿真模型。通过改变石墨烯的费米能级和堆叠方式,实现了该异质结构杂化极化激元的拓扑转变。其次,对石墨烯与扭转双层α-V2O5堆叠的异质结构进行仿真模拟,通过改变石墨烯的费米能级与扭转双层α-V2O5之间的扭转角度,实现对该异质结构杂化极化激元的动态调控。最后,通过改变激发频率和石墨烯费米能级,实现了杂化极化激元在较大的角度范围内的渠化传播。 3.利用有限元法对石墨烯与方解石垂直异质结构极化激元进行仿真模拟。首先,对石墨烯与方解石垂直异质结构进行了仿真模拟,实现在方解石厚度为50 nm、石墨烯费米能级为1 e V时该异质结构极化激元的拓扑转变。通过改用金衬底,实现了该异质结构极化激元的禁带传播。其次,对扭转双层方解石结构进行了仿真模拟,通过改变扭转角度,实现了极化激元由双曲态到椭圆态的拓扑转变。最后,对石墨烯与扭转方解石结构进行了仿真模拟,通过改变石墨烯的费米能级和转角角度,实现了幽灵模式极化激元与石墨烯等离激元的耦合。 综上,本论文主要对于石墨烯和二维材料异质结构杂化极化激元进行了理论仿真模拟,实现了在亚波长尺度上对异质结构杂化极化激元的精确控制。本研究为解释实际实验现象及其内在机理提供了理论支撑,并为纳米尺度操纵光子的器件设计提供了新启示。

关键词： 功能化石墨烯   环氧树脂   界面热阻   有效热导率   分子动力学  

摘要： 随着现代半导体电路的高度集成化、微型化发展，高热流密度芯片热耗散问题成为制约微电子设备发展的瓶颈。环氧树脂因机械性能良好、密封性能优异等特点被广泛用于芯片封装及异质结构间的间隙填充。然而环氧树脂固有热导率很低，无法满足微电子设备日益增长的散热需求。在环氧树脂基体中添加高导热填料是提高其热导率的有效方法。本文采用分子动力学研究了石墨烯/环氧树脂复合材料热输运的微观机理。　　利用动态交联法构建环氧树脂模型，探究不同交联度下环氧树脂内在热输运规律和机制。结果表明，环氧树脂热导率随交联度的提高逐渐增加。其次，环氧树脂体系随着交联键的形成发生体积收缩效应，其密度随交联度增高而逐渐变大。再者，体系自扩散系数与交联度负相关，高交联度可以抑制碳链扰动。最后，根据交联度与特征峰偏移的关系，提出利用径向分布函数表征环氧树脂交联度的方法。　　构建局部堆叠的功能化石墨烯模型，揭示官能团的分布、种类和覆盖率对石墨烯-石墨烯界面热阻的影响机制，研究官能团对功能化石墨烯有效热导率的影响规律。结果表明，随官能团水平间距的增大，石墨烯-石墨烯界面热阻先减小后增大，最后趋于定值。其次，官能团种类因势能和结构的不同也会影响石墨烯-石墨烯界面热输运。羟基功能化石墨烯的界面热阻最小，可达145.41±8.44×10-9m2KW-1,甲基功能化石墨烯和氨基功能化石墨烯的界面热阻相近，而氟基功能化石墨烯的界面热阻最大。再者，甲基功能化石墨烯、氨基功能化石墨烯和羟基功能化石墨烯的界面热阻随官能团覆盖率成反比。而氟基功能化石墨烯的界面热阻随氟基覆盖率先升高后降低。最后，功能化石墨烯的有效热导率随官能团覆盖率的提高而逐渐增加，但高覆盖率下的增加趋势有所变缓。　　基于上述的模型和结果，构建石墨烯/环氧树脂复合材料模型，探明交联度和官能团对复合材料热输运的影响规律和机理。首先，堆叠石墨烯的界面热输运随交联度增高逐渐降低，导致复合材料整体热导率随交联度增高而减小。其次，官能团增加传热通道的同时也增大了石墨烯层间距，二者综合作用导致功能化石墨烯在嵌入环氧树脂基体中后传热性能提高。最后，复合材料整体热导率随官能团覆盖率提高先减小后增大，且功能化石墨烯/环氧树脂复合材料的热导率均比原始石墨烯/环氧树脂复合材料低。本文对改善石墨烯/环氧树脂复合材料的传热性能具有指导意义。

关键词： 石墨烯等离激元   声学石墨烯等离激元   半导体工艺   分子检测  

摘要： 随着光电子科学的发展,等离激元作为金属表面由自由电子与外界电磁场相互耦合形成的电磁振荡,已成为纳米光子学领域的研究热点。在此基础上,结合石墨烯的优异性能,特别是其与金属堆叠形成的声学石墨烯等离子体(Acoustic Graphene Plasmons,AGP),其在生物传感中的核心应用在于其能够实现超灵敏的生物分子检测。由于石墨烯等离激元具有极高的波长压缩比,可以在纳米尺度上实现光与生物分子的强相互作用。本文从传统石墨烯波导结构上引入光学间隔物和背反射器,成功激发了声学石墨烯等离激元模式,实现了纳米级生物分子检测。本文的主要研究内容如下: (1)深入分析了金属-介质-石墨烯-介质-金属波导的色散关系,并在此基础上设计了一种可调谐声学石墨烯等离激元结构。该结构在红外波段能够将电场限制在3nm尺度,太赫兹波段则将电场限制在20 nm尺度,从而实现了对纳米级电场的显著增强。研究采用了有限元分析软件对结构参数进行深入优化,同时,通过栅极电压调控石墨烯的费米能级,成功实现了结构的可调谐性。基于优化后的结构参数,进行了半导体器件的精密加工,分析了在加工过程中曝光剂量和刻蚀角度对结构制备的影响,以确保最终器件的性能和稳定性。 (2)将声学石墨烯等离激元结构应用于分子检测,当AGPs共振现象与中红外光谱技术相结合时,会激发光与微量物质之间强而有效的耦合效率和高度光局域作用。分别分析了在红外波段和太赫兹波段测试分子振动情况,同时,研究了结构参数变化对检测结果的影响,并通过改变石墨烯费米能级调谐结构吸收峰值位置,增强了光与物质的相互作用。结合可检测范围的多样性,达到空间扫描的效果,提高了检测效率,在生物探针、医学检测等学科上具有较广阔的应用前景。

关键词： 氧化石墨烯膜   结构调控   离子筛分   纳滤  

摘要： 随着全球水资源的逐渐稀缺和人类社会的不断发展,海水淡化成为满足人类淡水需求的重要方法之一。尽管如此,传统的海水淡化技术,如热法脱盐,仍面临操作复杂、能耗高等挑战,因此急需寻求更高效、经济和可持续的海水淡化方法。膜分离技术因其高效、低能耗和环保等特性成为海水淡化领域的研究热点。二维材料由于其较大的比表面积、优异的成膜特性及可调控性强等特性使其成为膜材料的首选。其中碳基二维材料,如氧化石墨烯（GO）,由于其活性位点较多可利用其进行功能改性且结构可调等特点,在离子分离方面具有很大优势。但是GO膜在水环境中易溶胀导致膜结构不稳定,进而影响其分离稳定性。本论文主要通过层层组装、浸渍等方法,选取不同的官能团物质对GO膜表面进行改性,在提高GO膜离子截留率及通量的同时改善GO膜的稳定性。主要研究内容及结果如下: （1）层层组装GO/聚乙烯亚胺（PEI）复合膜:通过真空抽滤的方式,在聚醚砜（PES）支撑膜上制备了超薄GO/PEI复合膜。复合膜表面及膜孔内大量的亲水性基团胺基,使其具有超亲水特性,易与水分子形成氢键,进而强化了水分子在膜表面的溶解过程;通过正渗透方法测试了GO/PEI复合膜对不同价态、不同电荷特性盐离子的分离性能,探索膜表面特性与分离性能的构效关系。PEI中的胺基与GO之间通过共价键合,协同提高了膜的稳定性与分离效果,对二价盐Mg SO4的截留率达到95%,可长时间稳定运行156 h;同时,该复合膜还用作纳滤膜对盐/染料进行了选择性分离性能测试。当GO膜表面组装PEI后,GO/PEI复合膜对二价Na2SO4的截留率提升了4.47倍。对于小分子染料MLB（电荷,+）,其截留率由36%提升至98.86%。 （2）GO膜结构调控:通过真空抽滤法组装GO,选择五种具有亲水性官能团的改性试剂,通过浸渍法实现GO膜的功能改性,并制备GO复合纳滤膜。实验结果显示,用纳滤分离测试纯GO膜对Na Cl的通量可达13.63 L m-2h-1MPa-1,Na Cl的截留仅为27.8%。而改性后GO/BDA复合膜的Na Cl通量有所提升,为27.01 L m-2h-1MPa-1,其截留率提高了1.9倍（54.16%）。此外,纯GO膜对Na2SO4也有一定的截留效果（50%）,经BDA改性后的GO/BDA复合膜的截留率提高了1.7倍（89%）。本论文所研究的GO/BDA复合膜在厚度较薄（50 nm）的情况下表现出更优异的稳定性,在室温条件下可循环稳定运行170 h。经BDA改性后膜表面形成了致密的选择层,从而有效地抑制了膜的溶胀现象同时实现了离子的高效分离。 本论文针对GO膜的改性研究对GO基复合膜在海水淡化、污水处理和印染废水处理等领域的应用提供一定的技术支持。