关键词： 厌氧氨氧化   氮掺杂石墨烯   填料类型   微生物群落   氮代谢  

摘要： 脱氮除磷是城市污水和工业废水处理的重要部分,也是污水处理厂亟待解决的主要问题。以厌氧氨氧化为驱动的生物脱氮技术因具有节能降耗、低碳环保的巨大潜力在全世界被推广试行。尽管厌氧氨氧化工程已在全世界达到114座,但厌氧氨氧化菌的生长富集与持留,以及NO2-的来源问题一直影响主流厌氧氨氧化工艺的实现。针对这些问题,本文做了以下三方面工作:（1）通过一步水热合成对石墨烯进行掺杂改性得到氮掺杂石墨烯。经批量和长期连续流实验探究适量浓度的氮掺杂石墨烯对厌氧氨氧化菌生长富集的作用。实验结果表明50 mg/L氮掺杂石墨烯能够显著促进厌氧氨氧化微生物的生长富集,其相对丰度从16.77%增长到24.73%,而高丰度厌氧氨氧化微生物是系统获得较高平均氮去除效率（82.5±9.8%）的主要原因。另外,50 mg/L氮掺杂石墨烯不仅通过提高参与氮转化关键功能基因的丰度助力系统的高效脱氮,并且通过上调信号分子相关基因的表达刺激了菌群胞外聚合物的产生以及污泥造粒能力的提升,从而进一步提升了系统抗冲击负荷的性能。（2）通过运行塔式一体化短程硝化耦合厌氧氨氧化（PN/A）反应器探究其在运行过程中的稳健性。实验结果表明溶解氧、外源性有机物浓度以及水力循环强度是影响厌氧氨氧化脱氮核心地位的主要因素。高丰度亚硝酸盐氧化菌和异养反硝化菌的存在导致PN/A演化为一体化混养体系,且形成了以葡萄糖异养反硝化为主的多路径协同脱氮途径,包括硝化-反硝化、短程硝化-厌氧氨氧化、短程反硝化-厌氧氨氧化以及异化硝酸盐还原为铵盐。尽管混养体系中厌氧氨氧化菌的相对丰度很低,但系统保持了相对稳定的脱氮效率（80%左右）,主要是因为高丰度反硝化菌的存在补偿了溶解氧和进水有机物对厌氧氨氧化菌的影响。（3）通过选取3种工程中应用广泛的填料同时填充固定在同一反应器中探究不同填料在截留生物质的同时对其表面定殖生物膜的潜在影响。实验结果表明不同的填料通过塑造小生态位对差异性物种进行选择性招募,并强烈影响栖息在生物膜内关键物种间的相互作用。相比较而言,裸海绵由外及内的好氧-缺氧-厌氧层级结构更能满足差异物种多样的生态位,并且更容易实现NO2-的积累和利于短程反硝化途径的发生。考虑到不断滋生的生物质会随系统长期的运行堵塞裸海绵中的孔道,并带来底物扩散不良和去除效率降低的问题,建议将裸海绵作为反应器启动初期或接种污泥时的首选填料。

关键词： 石墨烯莫尔超晶格   朗道能级   拓扑   谷间散射   外延生长  

摘要： 范德华二维材料及其超晶格结构的出现极大地丰富和拓宽了人们对材料的认识和再造。人们将二维材料堆叠在一起,利用其晶格失配或相对转角构筑二维莫尔超晶格材料,实现对现有材料能带结构的调制和改造。二维超晶格材料因其高度可调性,一直以来备受物理学家们关注,孕育出包括超导、关联绝缘态、反常量子霍尔效应等在内的一系列新奇物相。本论文主要围绕石墨烯莫尔超晶格材料,利用低温电输运测量手段研究其物理性质。具体研究内容如下:1.转角双层-双层石墨烯莫尔能谷的谷间电子散射行为。我们系统地研究了弱耦合转角双层-双层石墨烯体系中的量子振荡行为。磁输运测量表明,该体系存在两种不同形式的量子振荡行为。一种对应朗道能级量子化引起的Shubnikov–de Haas振荡（Sd HO）,另一种对应莫尔能谷谷间电子散射引起的magneto-intersubband振荡（MISO）。通过对高质量的量子振荡数据建立电容模型计算层间电容（Cm）,我们能够定量分析该体系的层间耦合强度。对于价带而言,该体系的层间电容Cm～6.3 u F/cm2为定值不随载流子浓度变化,表明在价带该体系处于标准的解耦合状态。而在导带,层间电容在电荷中性点附近约为19 u F/cm2,且其随着载流子浓度增加而降低,大约在7 u F/cm2饱和,表明导带有更强的层间耦合。此外,我们的数据表明MISO可以被位移电场周期性调制,且在Sd HO消失后MISO随磁场的周期变为原来的二倍。温度依赖的MISO表明莫尔能谷之间的电子-电子相互作用在散射中起到至关重要的作用。我们的研究表明作为一个高度可调的莫尔系统,转角双层-双层石墨烯提供了一个理想的平台去研究朗道能级之间相互作用,莫尔能带结构以及电子散射行为。2.转角双层-双层石墨烯中不同手性堆叠引起能带拓扑的差异。我们在实验上构筑了AB-AB构型和AB-BA构型的转角双层-双层石墨烯。这两种构型尽管具有相似的能带结构,然而由于其能带拓扑属性不同,在磁场下会展现出完全不同的Hofstadter butterfly能谱。在AB-AB构型的转角双层-双层石墨烯样品中,由于双层石墨烯k+和k-能谷中的轨道磁矩均为0,在垂直磁场下谷简并度保留。其Hofstadter butterfly能谱中仅会出现由电荷中性点和超晶格带隙处发出的简并度为4的朗道能级。在AB-BA构型的转角双层-双层石墨烯样品中,由于双层石墨烯k+和k-带有相反且不为零的轨道磁矩,在垂直磁场下其谷简并度破除。其Hofstadter butterfly能谱中超晶格带隙处发出的朗道能级简并度由4转变为2,并且在填充因子为±1/2处同样出现简并度为2的朗道能级。我们的工作首次在实验上验证了AB-BA构型的转角双层-双层石墨烯能带的拓扑非平庸属性。3.外延生长三层石墨烯/六方氮化硼莫尔超晶格。我们成功实现了三层石墨烯/六方氮化硼莫尔超晶格的外延生长。通过原子力显微镜,我们可以观察到生长的三层石墨烯/六方氮化硼超晶格具有15 nm的莫尔周期,这与石墨烯和六方氮化硼之间的晶格失配一致。电学输运结果表明外延生长的三层石墨烯具有ABC构型的特性。更重要的是我们在空穴1/2填充处观察到额外的电阻峰,意味着外延生长的三层石墨烯/六方氮化硼超晶格中存在强的电子-电子相互作用。该工作表明外延生长可以提供一种简单的方法来制备稳定可重复的二维强关联电子材料。

关键词： 类石墨烯   气体传感器   光电二极管   密度泛函理论   非平衡格林函数  

摘要： 在过去几十年中,随着技术的不断进步,微电子加工工艺已经取得了显著的成就。然而,随着器件尺寸的不断微型化,硅基微电子加工工艺接近摩尔定律的极限。其中一个主要问题是量子隧穿效应,即当器件尺寸减小到纳米级别时,电子在禁带中的隧穿现象会引起漏电流和能量损耗,从而严重影响晶体管的性能。近年来,二维（2D）材料作为一种新兴的材料类别,受到了广泛的关注。二维材料是指具有单层或几层原子厚度的材料,最著名的例子是石墨烯。这些材料具有许多独特的特性,如大的比表面积、优异的电子输运性能和化学活性。此外,二维材料还表现出丰富的物性,如自旋分离、各向异性输运、负微分电阻曲线和整流效应等,这些物性为构建高性能器件提供了新的机遇和挑战。在气体传感器领域,二维材料展示了出色的潜力。气体传感器是一种用于检测和测量环境中特定气体浓度的设备。传统的气体传感器使用吸附材料或半导体材料来感知气体分子的存在。而二维材料作为传感器的敏感层,具有高灵敏度、快速响应和高选择性的特点。二维材料的单层结构和大的比表面积使其能够更好地与气体分子相互作用,从而实现更高的检测灵敏度。此外,二维材料的能带结构和电子输运性能可以被调控,进一步增强了传感器的性能。在光电探测器领域,二维材料具有优异的光电传输特性、宽波段响应范围、强大的光吸收能力和可调控的光电特性等优势,对于今后开发高性能光电探测器产生了重要的作用。基于此,本文将在理论上预测新型二维材料作为气体传感器和光电二极管组件并研究其性能。 （1）作为一种新型的类石墨烯材料,BC5单层丰富的金属性质以及动力学稳定性能已被证实。将不同的气体分子吸附在BC5单层上,结果表明SO2、CH4、CH3OH为物理吸附,CO、NH3、NO、NO2、C2H2、C2H4、HCHO为化学吸附。此外,原始的BC5基纳米器件在低偏置电压（Vb）下的输运特性表现出较强烈的各向异性,当Vb为0.1 V时,各向异性的最大比值为1.94。BC5基气体传感器对CO和HCHO更加敏感,在0.1 V的偏置电压下沿锯齿形方向的气体灵敏度分别达到1.76和2.56。最后,通过在费米能级上呈现无机和有机气体分子的散射态,系统地揭示了它们在BC5基气体传感器上吸附的微观机制。所有这些理论预测可能引发新途径,以扩大新型类石墨烯纳米材料在设计下一代气体传感装置中的应用。 （2）具有五边形结构的P-BN2单层展示出强的金属性能并且在动力学和热力学上是稳定的,同时对不同气体分子具有优异的吸附能力。CO、H2S、NH3、SO2、C2H5OH、C3H6OH、CH3OH和CH4的吸附方式属于物理吸附,而NO、NO2、C2H2、C2H4和HCHO在P-BN2单层上采用了化学吸附。当气体分子通过化学吸附后导致P-BN2基气体传感器的电流大大降低,并且温度的改变对P-BN2基气体传感器的影响不大。为进一步丰富其性能,N、B和BN原子的缺陷被引入,这些缺陷导致P-BN2基气体传感器的电流降低,同时气体分子也会引起缺陷系统电流的下降。这些理论研究对于探索二维原子层材料作为高效气体传感器具有重要意义。 （3）电子性质易于调控的范德瓦尔斯（vd W）异质结构的组装为二维材料的扩展提供了新的途径,促进了光电子、传感器、开关器件等领域的发展。Mo Ge2N4/Si C vd W异质结表现出了类型Ⅱ带对齐半导体特性,这对于光生电子-空穴对的分离极为有利。为进一步调控其性能对其施加垂直应变,当压缩应变达到6%时,Mo Ge2N4/Si C异质结发生半导体-金属转变。在压缩应变小于6%和拉伸应变的情况下,Mo Ge2N4/Si C异质结保持类型Ⅱ带对齐半导体特性。对于其光学性能,Mo Ge2N4/Si C异质结在可见光和紫外光范围内具有高达10～5的光学吸收系数,这可以改善Mo Ge2N4和Si C单层在某些可见光区域的吸收系数。同时,Mo Ge2N4/Si C异质结的光电导表现出显著的各向异性,其中扶手椅方向在橙光范围内表现出较高的电导率。以上研究为未来光电器件、逻辑开关元件和太阳能电池等的发展提供了理论基础。 综上所述,对本篇论文以新型二维类石墨烯材料BC5单层、P-BN2单层和Mo Ge2N4/Si C异质结为主,分别探究了它们不同的电子结构性质,根据其独特的性能设计出具有高性能的新型二维纳米器件,为未来电子、气敏和光电等领域的发展提供理论指导。

关键词： 化学气相沉积   石墨烯   二维材料   转移  

摘要： 石墨烯因其优异的载流子迁移率,被预测将在后硅电子领域发挥作用,以石墨烯为代表的二维材料将在未来微电子器件的设计与应用中占据重要的地位。在石墨烯基器件的制备过程中,石墨烯薄膜的无损转移以及微电子器件的组装都是十分关键的环节。但目前在石墨烯转移的诸多技术中,转移技术仍是限制石墨稀的瓶颈,在转移过程中石墨烯会接触到多种污染物,转移的过程会对石墨烯薄膜造成不可避免的损伤和污染,另一方面在石墨烯基器件的制备过程中,繁琐的工艺步骤也会导致石墨烯品质的下降,严重降低器件的性能。因此,为了在微电子器件中充分利用石墨烯的性能,必须开发出洁净的石墨烯转移方法和无损伤的器件制备方法,这将推动高性能石墨烯器件的开发研究。本篇论文研究开发了基于CVD石墨烯的大规模洁净转移的方法以及制备组装了石墨烯与金属电极能够实现范德华接触的微电子器件。本论文首先介绍了洁净的金属网格剥离转移法,通过设计一个原子级平整的金网格剥离带来转移大规模高质量的石墨烯图案阵列,在预制的金属网带中金和石墨烯的连接区域可以提供足够的粘附力使得石墨烯被均匀剥离,而非接触区域提供弱相互作用使石墨烯在目标衬底上被机械释放,其中PC膜和金膜在机械剥离过程中被撕下,不涉及金的刻蚀,剥离出的石墨烯其I2D/IG取到2.0左右,2D峰的半峰宽在36左右,其表面的粗糙度不足1nm。同时此方法不仅仅局限于CVD石墨烯,而且可以应用到其他化学气相沉积的二维材料中,这种新颖的图案化转移方法将进一步拓展二维材料的微电子应用的多样性和灵活性。然后本论文介绍了一种能够使石墨烯与金属电极实现范德华接触的器件组装方法。将基于锗基石墨烯的金属转移技术与金网转移石墨烯图案的方法相结合,能够制备出具有优异电学性能的石墨烯器件,测试的转移特性（栅控能力强、跨导值大）和输出特性（高驱动电流）曲线都证明了转移后石墨烯的高质量。我们制备了场效应载流子迁移率为2026cm2/V s、Dirac点电压接近零以及驱动电流到达800μA/μm的单层石墨烯晶体管阵列（10*10）。此外我们利用锗基石墨烯的金属转移工艺在高阻的硅衬底上制备了栅长为5μm的双指顶栅的射频晶体管阵列（5*5）,经过ADS软件的去嵌入处理,最终获得了310Mhz的截止频率和345Mhz的最大振荡频率。

关键词： 功能化石墨烯   纳米复合材料   合成基础油   摩擦学性能   润滑机理  

摘要： 本论文分别以化学接枝、纳米颗粒负载以及低共溶溶剂分子插层三种方法将石墨烯进行功能化处理,并对制备的功能化石墨烯进行形貌结构和物理化学性能等方面的表征。围绕调制的石墨烯润滑油的分散稳定性,开展了摩擦学性能的研究,系统探究了不同功能化石墨烯的结构演变规律和润滑机理。本论文的主要包括以下内容和结论: （1）利用化学接枝将石墨烯材料稳定的分散在润滑油中。制备了二乙二醇十二烷基醚(E2C12)功能化氧化石墨烯(E2C12-GO)。功能化石墨烯在PAO20中具有高的分散稳定性。与基础油相比,0.08 wt%E2C12-GO增强的PAO20的摩擦系数和磨损率分别降低了30%和57%。强化的石墨烯润滑油膜显著提高了基础油的极压性能。E2C12-GO优异的摩擦学性能是由于其高分散性、高层间距以及滑动界面的重组。 （2）采用水热法制备了二氧化钛/还原氧化石墨烯（TiO2/r GO）纳米复合材料作为油基润滑剂添加剂。实验结果表明,0.08 wt%TiO2/r GO纳米复合材料表现出优异的热稳定性、高分散性和优异的摩擦学性能。与合成油基础油相比,平均摩擦系数和磨损量显著降低了28.4%和70.7%。致密稳定的多层摩擦膜降低了摩擦副之间的摩擦磨损。二氧化钛（TiO2）纳米颗粒在摩擦过程中对还原氧化石墨烯（r GO）的保护起到了关键性的作用。 （3）以低共熔溶剂（由氯化胆碱和乙二醇制成）插层氧化石墨烯（DES-GOs）作为新型油基润滑剂添加剂进行了三明治结构的构型。研究了低共溶溶剂（DESs）与氧化石墨烯纳米片之间的氢键网络形成。DES-GOs1:3在PEG 200中具有较高的分散稳定性（120d后无沉淀）。值得注意的是,导电性能优异的DES-GOs1:3具有优异的摩擦学性能,其平均摩擦系数和磨损体积分别比PEG200降低了38.3%和91.2%。其润滑机理是功能化石墨烯的高分散稳定性、致密摩擦膜的形成、弱的层间剪切效应。

关键词： 锂硫电池   穿梭效应   修饰隔膜   缺陷工程   石墨烯  

摘要： 锂硫(Li-S)电池以其比容量大(1673mAhg-1)和能量密度高(2,600Whkg-1)成为最具吸引力的下一代储能电池，但由于存在诸如穿梭效应、活性物质导电性差和锂枝晶等问题，锂硫电池目前尚未取得广泛的实际应用。　　本论文设计、制备了多种过渡金属化合物@石墨烯复合材料，并将他们作为功能修饰隔膜应用于锂硫电池。采用水热法和分子自组装技术成功合成了具有缺陷结构的二维石墨烯基复合材料Mn-TaS3@rGO、Fe-MoS2/WO3@rGO、Ni3B@rGO和Ni2(OH)2CO3@rGO,研究了二维复合材料中掺杂金属原子与缺陷结构之间的相互关系，并系统探讨了实验条件对石墨烯基过渡金属化合物二维复合材料组成和结构的影响。在二维过渡金属化合物@石墨烯复合材料中，一方面，过渡金属化合物功能材料，如Mn-TaS3、Fe-MoS2/WO3、Ni3B和Ni2(OH)2CO3,具有优异的吸附和催化作用，可以有效地促进活性物质硫和多硫化锂的转化;另一方面，石墨烯的存在为复合材料提供了高导电性，促进了锂硫电池的电化学性能。四种二维石墨烯基过渡金属化合物复合材料，Mn-TaS3@rGO、Fe-MoS2/WO3@rGO、Ni3B@rGO和Ni2(OH)2CO3@rGO,作为功能隔膜修饰材料应用于锂硫电池，获得了优异的电化学行为，系统研究了复合材料组成、结构和电化学行为之间的相互关系，揭示了上述过渡金属化合物@石墨烯功能修饰隔膜促进锂硫电池性能的本质机理。　　本论文的主要研究结论如下:　　1.纳米Mn-TaS3@rGO二维复合材料的制备及其作为锂硫电池中功能隔膜的研究　　本论文使用一步水热技术在还原氧化石墨烯表面获得三硫化钽(TaS3)和锰原子掺杂的三硫化钽(Mn-TaS3)纳米材料，并将三硫化钽功能材料首次作为修饰隔膜应用于锂硫电池中。通过锰原子掺杂，Mn-TaS3@rGO纳米复合材料表面具有丰富的缺陷结构。它不仅对多硫化锂(LiPSs)显示出非凡的吸附性能，而且在对称电池中对LiPSs转化反应和恒电位沉积实验中对Li2S成核/溶解反应均表现出优异的电催化作用，因而作为功能修饰隔膜有望显著提高了锂硫电池的电化学性能。在硫化锂恒电位沉积和溶解实验中，与纳米TaS3@rGO二维材料相比，经锰原子掺杂的复合材料表现出更快的反应时间和更高的响应电流，证明了纳米Mn-TaS3@rGO二维复合材料显著改善了Li2S形成/溶解动力学。使用Mn-TaS3@rGO修饰隔膜组装的锂硫电池显示出卓越的抗自放电行为、出色的电催化能力和非凡的电化学性能，在2.7mgcm-2的硫负载和0.3C电流下，充放电循环1000周后硫正极的容量保持在683mAhg-1以上;即使是液硫(E/S)比低至5.0μLmg-1,在0.2C下循环300周后硫正极仍可提供692mAhg-1的可逆比容量。　　2.超薄硼化镍/石墨烯(Ni3B@rGO)复合材料作为锂硫电池改性隔膜的合成及应用。　　Li-S电池中的传统隔膜，如聚乙烯和聚丙烯(PE和PP),由于具有多孔结构，不能阻止多硫化锂(LiPSs)向锂负极移动。为了减轻LiPS的穿梭效应并提高电池性能，人们将修饰改性隔膜应用于Li-S电池中。事实上，目前锂硫电池的电化学性能(尤其是正极含硫量高、电解液/硫比低的电池)与实际应用需求相去甚远，因此这项工作提出了锚定在还原氧化石墨烯上的超薄硼化镍(Ni3B@rGO)作为Li-S电池的独特改性隔膜。由于硼化镍独特的电子结构，一方面改性隔膜通过硼元素的活性位点提供出色的多硫化物吸附能力，另一方面它还具有优异的电催化活性，显著促进了充电/放电过程LiPSs的转化，因此作为修饰改性隔膜，Ni3B@rGO极大提升了锂硫电池的性能。用Ni3B@rGO作为修饰材料得到的改性隔膜，在0.2C下100周循环后，具有80wt％硫含量的正极可保持819mAhg-1的容量。当电解液/硫比降低至15μLmg-1和5.0μLmg-1时，在0.2C下循环100周后硫正极的容量分别达到736.3mAhg-1和615mAhg-1。对于高硫负载量(单面高达4.5mgcm-2)的正极，在0.2C下循环200周后硫正极仍可获得578mAhg-1的容量，这些实验结果说明Ni3B@rGO修饰改性隔膜能够有效阻止多硫化物穿梭到阳极区而不影响锂离子通过，因此本研究开发的功能隔膜策略为构建具有高能量密度的实用锂硫电池提供一种有效的方法。　　3.铁掺杂的异质结构复合材料Fe-MoS2/WO3@rGO的可控制备及其作为Li-S电池改性隔膜和多层硫阴极媒介的研究　　应用水热技术，在石墨烯表面原位生长铁掺杂的MoS2/WO3二维纳米复合材料(Fe-MoS2/WO3@rGO),并作为多功能媒介应用于锂硫电池。得到的Fe-MoS2/WO3@rGO二维纳米复合材料，一方

关键词： 激光熔覆   M2高速钢刀具改性   石墨烯   Co基熔覆层   切削性能  

摘要： 为解决高速钢刀具磨损过快,切削寿命过低的问题,本文采用激光熔覆技术,在W6Mo5Cr14V2（M2）高速钢刀具材料表面制备了GNPs/TiN/Co基熔覆层,有效提高了刀具材料的硬度和耐磨性,延长了刀具的使用寿命。本文首先以TiN/Co基熔覆层刀具材料为基础探究了激光工艺参数,然后研究了石墨烯（GNPs）在激光辐照过程中,在熔池内的演变过程及作用机理,最终制备出GNPs/TiN/Co基熔覆层刀具并与高速钢刀具进行切削实验对比。制备了TiN/Co基熔覆层刀具材料,通过研究获得了最优脉冲激光热输入。在扫描速度16 mm/s、脉冲频率4 Hz时,熔覆层具有最佳力学性能,平均硬度、摩擦系数和磨损体积分别达到590.0 HV、0.43和1.30×10～7μm3。低频脉冲激光（4 Hz）一方面可以减小熔覆层晶粒尺寸,使粗大树枝晶转变为细小等轴晶,另一方面可以使熔覆层内TiN颗粒细小均匀分布,相比高频脉冲激光（4000 Hz）,TiN平均颗粒尺寸降低了45.6%（0.37μm）,熔覆层受颗粒强化作用,力学性能提高。研究了GNPs在激光辐照作用下,在Co基熔池内的演变过程及作用机理,并制备了GNPs/Co基熔覆层刀具材料。由于GNPs属于纳米尺寸、片状结构,其表面存在许多褶皱,使得GNPs具有较高的表面能及活性和较好的均化作用。GNPs在激光高能辐照作用下发生熔解,与熔池内的合金元素原位生成Cr23C7、Cr7C3等碳化物,提高了熔覆层硬度,最高平均硬度达到576.8 HV,提高了约43.3%,在形成碳化物的过程中,温度梯度引起成分波动和能量起伏,提高了熔池的形核率,进而细化了晶粒,添加3%GNPs的Co基熔覆层平均晶粒相比未添加GNPs熔覆层下降了47.5%（4.2μm）。在熔池中未熔解的GNPs随熔池冷却存留在熔覆层内,起到减磨润滑的作用,经摩擦磨损测试,GNPs/Co基熔覆层最优摩擦系数为0.358,磨损体积为4.86×10～7μm3,分别降低了约26.0%和49.5%。制备了GNPs/TiN/Co基熔覆层刀具材料,平均硬度最高达到777.2 HV,比未添加GNPs时提高了33.5%。硬度的提高不仅因为GNPs在熔覆过程中原位生成了Cr23C7和Cr7C3等碳化物,还因为GNPs和TiN在激光辐照作用下,原位生成了Ti（C,N）固溶体,通过热力学分析证明了在激光辐照时,熔池内可能发生TiN分解和Ti（C,N）生成。在控制激光热输入不变时,同时改变脉冲激光占空比和功率时,熔覆层几何尺寸及性能发生较大变化。随着脉冲占空比的降低和功率的增大,熔覆层熔池深度和热影响区厚度增加,TiN聚集上浮现象逐渐消失。在激光占空比为65%时,TiN/Co基熔覆层获得最细小均匀的组织,TiN平均粒径降低至0.27μm,平均硬度达到最高,约为779.0 HV,磨损体积减小至0.84×10～7μm3;GNPs/TiN/Co基熔覆层硬度达到921.0 HV。最后选取45钢为切削工件,对GNPs/TiN/Co基熔覆层刀具和高速钢刀具切削性能进行对比研究。在切削速度v=40 m/min,背吃刀量ap=0.2 mm,进给量f=0.102 mm/r时,获得最佳切削工艺。相比高速钢刀具,熔覆层刀具的主切削力降低了约10.0%（119 N）,切削温度降低了约16.7%（253.6℃）,这是由于熔覆层优异的高温硬度以及GNPs优异的减磨润滑作用,有效提高了熔覆层刀具的切削性能。其有效切削距离约为5700 m,磨损形式主要为前刀面的轻微粘结磨损,而后刀面的磨粒磨损和粘结磨损。

关键词： 聚偏二氟乙烯   氮化硼   石墨烯   导热性能   复合材料  

摘要： 随着现代电子信息产业的飞速发展，具有优异导热性和加工性的热管理材料对于解决电子设备的散热问题尤为重要。聚偏二氟乙烯(PVDF)因其易加工、耐腐蚀、耐热性、低成本和轻质等优势受到了众多研究者们的青睐。但由于杂质、缺陷及结构紊乱导致的严重的声子散射使得PVDF的热导率极低，限制了其在热管理中的应用。提高PVDF的导热性能以满足日益增长的电子设备散热要求是亟待解决的首要问题。制备高导热PVDF复合材料以及提高本征型PVDF的热导率是获得具有优异导热性能的热管理材料的有效途径。计算机模拟技术因其独特优势而被用于研究聚合物的宏观性能与微观结构之间的关联，在探究PVDF及其复合材料的导热性能方面发挥了重要作用。本文利用分子动力学模拟方法，围绕PVDF进行了一系列研究。主要研究工作如下:　　首先，以PVDF为研究对象，从聚合物自身结构出发，通过构建无定形A-PVDF及定向排列的结晶C-PVDF的两种不同PVDF模型，揭示了两种不同结构形态的PVDF的热导率与温度的关系，探究了链长及横截面积对C-PVDF导热性能的影响。研究结果表明:C-PVDF体系的热导率随链长的增大而升高且逐渐收敛，而未随横截面积的增大表现出显著变化;当温度升高时，A-PVDF的热导率未发生明显变化，而C-PVDF的热导率呈现出下降的趋势。　　其次，以PVDF为基体、氮化硼(BN)为填料建立了BN/PVDF的复合模型，系统研究了温度和缺陷对BN的热导率、BN/PVDF复合材料的界面热导及热导率的影响规律。模拟研究发现BN的热导率随着温度的降低、缺陷浓度的减小以及缺陷分布的增大而逐渐增大;当温度升高、缺陷浓度增大及缺陷分布减小时，BN/PVDF复合材料的界面热导逐渐提高;基于缺陷和温度对于BN/PVDF界面热导和BN体系热导率具有相反的作用效果，通过将有效介质理论模型与模拟相结合，预测出复合材料和纯PVDF热导率之比(κCom/κPVDF)随着温度的升高、缺陷浓度减小及缺陷分布的增大而呈现上升趋势。　　最后，通过构建具有不同取向度的石墨烯与PVDF的复合模型,探究了石墨烯/PVDF复合材料的导热性能随石墨烯取向度变化的规律。结果显示随着石墨烯取向度的减小,石墨烯/PVDF复合材料的界面热导逐渐增大;κCom/κPVDF整体呈上升趋势，且κCom/κPVDF随着石墨烯体积分数及长度的增大而逐渐提高。基于以上，进一步构建了石墨烯片平行于热流方向时的石墨烯/PVDF复合模型，研究了边缘功能化石墨烯/PVDF复合材料的界面热导的变化规律。研究发现体系界面热导受石墨烯边缘功能化的影响且与功能化比例呈正相关。　　本文模拟结果表明，定向排列聚合物链可提高PVDF的热导率;对于某些不可避免的缺陷，可通过调节缺陷在BN中的分布状态来获得理想的BN/PVDF复合材料的导热性能;调节石墨烯在复合材料中的取向程度及对石墨烯边缘功能化有利于提高石墨烯/PVDF复合材料的界面热导。模拟结果为设计和制备高导热PVDF及其复合材料提供理论参考。

关键词： 四氧化三钴   还原氧化石墨烯   气体传感器   晶面效应  

摘要： 基于金属氧化物半导体（MOS）的P型和N型气体传感器被广泛的应用于各种气体检测、识别领域当中。这些传感器不仅灵敏度高,且具有成本低廉、使用便捷等优点。而气体传感器最核心的部分——传感材料影响着传感器的关键性能。近些年,如何制备出选择性好、响应值高的气敏材料成为了研究人员的研究重点。为了提高金属氧化物半导体的气敏性能,本论文从晶面工程和石墨烯复合协同效应的角度,通过简单的水热反应制备出了二维还原氧化石墨烯（r GO）纳米片网络包裹的具有特定晶面（{112}和{100}晶面）的P型四氧化三钴（Co3O4）纳米晶异质结构材料,并研究了Co3O4/10%r GO异质结的气敏性能。我们发现,单独的Co3O4{112}晶面具有比{100}晶面明显更好的三乙胺传感性能,表现出了明显的晶面效应。进一步的研究表明,经r GO修饰后,Co3O4{112}晶面的三乙胺传感性能得到进一步提高。在此基础上,我们对Co3O4/10%r GO纳米异质结材料的气敏稳定性、选择性等性能进行了系统研究。我们通过第一性原理理论计算,进一步探讨了Co3O4/10%rGO纳米异质结材料气敏机制。我们发现Co3O4{112}晶面比{100}晶面含有更多的活性Co3+空位以及化学吸附的氧空位,从而促进了三乙胺的吸附和随后的传感反应。此外,Co3O4{112}晶面和r GO之间的电子通过异质界面相互作用促进了有效的电荷转移,进一步提高了传感性能。本论文不仅为提高Co3O4的气敏性能提供了新的途径,而且加深了对MOS气体传感器晶面效应和MOS/石墨烯异质结构中异质界面相互作用的理解。这为研制气体传感器提供了新的研究思路,并将有助于深入设计基于MOS的高性能气体传感器。

关键词： 海水淡化   氧化石墨烯   光热材料   水凝胶蒸发器   单宁酸   耐盐性  

摘要： 随着人口的不断增加和工业的快速发展，淡水资源短缺已经成为全球性问题。而全球海水储量十分丰富，海水淡化是解决全球淡水短缺危机的最具前景的方案之一。太阳能是一种可再生、对环境零碳足迹的清洁能源，利用太阳能进行海水淡化是解决全球能源危机和淡水危机的有效替代方案。太阳能驱动的海水淡化是由界面蒸发器来完成，其主要包含光热材料（将光能转换为热能）、汲水材料（将体积水输送到蒸发表面）以及隔热材料（限制热损失到体积水和环境中）。石墨烯材料作为一种优异的光热材料已经广泛应用于光热转换领域。然而，石墨烯材料的光热转换机理以及对石墨烯基蒸发器的结构优化（提高蒸发器的蒸发性能和耐盐性能）仍需要进一步探索研究。针对以上问题，本研究对石墨烯材料（氧化石墨烯和还原氧化石墨烯）在光热转换方面的差异机理进行了探究，并且对石墨烯基蒸发器的结构进行了优化设计，提高了蒸汽产生速率以及耐盐性能，主要包含以下部分：　　首先通过改性的Hummers法制备了少层的氧化石墨烯（GO）纳米片并通过单宁酸（TA）将其还原并功能化制备了还原氧化石墨烯（TA@rGO）。通过表观颜色、表面温度、光吸收性能验证了当GO被还原成TA@rGO后光热性能增强，并通过UV-Vis、Raman、和XRD光谱等表征测试证明了产生这种结果的一个可能原因是当GO被TA还原后，石墨烯纳米片上的π共轭得到了恢复，降低了HOMO和LUMO之间的能隙，增加了TA@rGO在长波范围的光吸收能力，使得TA@rGO具有更优的光热性能。　　第二部分工作是以rGO协同TA-Fe3+作为吸光材料负载在亲水基底上制备了高效抗盐结晶的二维蒸发器（TA-Fe3+@rGO@HC）。TA-Fe3+@rGO@HC对于各种盐浓度的模拟海水以及多种模拟废水都具有较高的蒸发速率和极高的净化效果。此外，TA-Fe3+@rGO@HC蒸发器用在设计的具有虹吸效应的容器时具有优异的耐盐性，满足蒸发器持续稳定的运行。　　第三部分工作是为进一步提高蒸发器的蒸发性能，以TA@rGO作为光热材料结合海藻酸钠水凝胶包覆在亲水三聚氰胺海绵骨架上制备了一种三维多孔水凝胶海绵蒸发器（RSHS）并研究了其在海水淡化及废水净化方面的蒸发性能。多孔水凝胶由于可以降低蒸发所需的能量需求从而提高蒸发性能而被用于作为制备光热蒸发器。而多孔水凝胶的制备过程一般比较复杂且需要耗时耗能的冷冻干燥技术。本文通过简单、可扩展的浸涂-干燥-交联工艺所制备的三维多孔水凝胶海绵蒸发器具有高达3.13kgm-2h-1的蒸发速率和91.54%的太阳能-蒸汽转换效率。而且RSHS对于各种模拟海水和模拟废水都具有较高的蒸发速率和净化效果。此外，由于互联的大孔结构，RSHS具有优异的耐盐性能。