关键词： 轻量化   异种材料连接   碳纤维增强热塑性复合材料   热连接   界面调控  

摘要： 碳纤维增强热塑性树脂基复合材料（Carbon fiber-reinforced thermoplastic composites,CFRTP）作为新一代轻量化结构材料，凭借其优异的比强度、比模量及抗疲劳特性，已成为航空航天领域替代传统金属构件的战略材料。通过实现CFRTP与航空铝合金、钛合金等金属材料的可靠连接，可使结构件整体减重达30%～40%，同时兼具金属的高导热性和复合材料的耐腐蚀优势，这对提升飞行器推重比和燃油效率具有显著价值。由于异种材料之间理化性能差异较大，在生产过程中混合应用多种轻量化材料仍面临巨大挑战。本文总结了近年来金属与CFRTP连接技术的国内外研究成果，包括连接工艺、连接机制以及界面调控方法。首先介绍了金属/CFRTP主要连接工艺与研究进展，进一步概括了热连接界面改性的原理，并分别展开论述了金属与CFRTP界面机械嵌合调控与界面化学键合调控两种调控方法。最后，系统梳理并总结了当前金属与CFRTP连接研究进展与存在的关键问题，并对其未来的发展做出展望，为新一代航空航天装备的轻量化设计提供理论支撑和技术保障。

关键词： 禾谷缢管蚜   化学感受蛋白   抗药性   顺式作用元件   转录因子  

摘要： 禾谷缢管蚜Rhopalosiphum padi(L.)(Hemiptera:Aphididae)是重要的麦类作物害虫,在世界各小麦主产区均有发生,化学防治是田间控制禾谷缢管蚜的主要手段,杀虫剂的不合理使用导致禾谷缢管蚜对多种杀虫剂产生了抗药性。为研究禾谷缢管蚜对拟除虫菊酯类杀虫剂的抗药性机制,本实验室前期建立了禾谷缢管蚜高效氯氟氰菊酯抗性品系(lambda-cyhalothrin resistant strain,LC-R),研究发现钠离子通道基因M918L突变和P450基因过表达是禾谷缢管蚜抗性产生的重要原因。随着禾谷缢管蚜抗性水平的进一步上升,发现化学感受蛋白(chemosensory protein,CSP)在抗性品系中上调表达,推测化学感受蛋白可能也参与了抗性的形成。为明确化学感受蛋白在禾谷缢管蚜对高效氯氟氰菊酯抗性中的作用及其过表达的机制,本研究分析了禾谷缢管蚜RpCSP基因在抗性和敏感品系中的表达水平,研究了RpCSP基因在抗性中的作用,原核表达获得RpCSP蛋白,分析了重组蛋白与杀虫剂的结合特性,比较了RpCSP5野生型和突变蛋白V25A与高效氯氟氰菊酯的结合亲和力,研究了抗性品系关键RpCSP基因启动子变化,明确了调控关键RpCSP基因的转录因子,利用转基因果蝇验证了关键RpCSP基因在高效氯氟氰菊酯抗性中的作用。本研究结果为深入阐明禾谷缢管蚜对拟除虫菊酯类杀虫剂的抗性机制及该虫的抗性治理奠定了理论基础。主要研究结果如下: 1.禾谷缢管蚜化学感受蛋白序列及基因表达水平分析 从禾谷缢管蚜基因组及转录组数据中鉴定了8个RpCSP基因,其中6个RpCSP基因(RpCSP2、RpCSP4、RpCSP5、RpCSP6、RpCSP7、RpCSP8)在禾谷缢管蚜LC-R品系大多数龄期表达水平显著高于敏感品系(susceptible strain,SS)。这些化学感受蛋白在进化过程中显示出极高的保守性,均含有四个保守的半胱氨酸,两两配对形成两个二硫键。此外,8个RpCSP都含有保守的OS-D及OS-D superfamily结构域,并且具有相同的3个Motif。8个RpCSP在禾谷缢管蚜不同组织中均有表达,且其在足和触角中的表达丰度较高。高效氯氟氰菊酯处理禾谷缢管蚜敏感品系后48 h,与对照组相比,RpCSP2、RpCSP4、RpCSP5、RpCSP6、RpCSP7、RpCSP8的表达量显著升高。 2.化学感受蛋白在高效氯氟氰菊酯抗性中的功能 为明确在LC-R品系中上调表达的6个RpCSP基因在杀虫剂抗药性中的作用,我们利用RNA干扰以及转基因果蝇技术研究了这6个基因的功能。RpCSP4、RpCSP5、RpCSP8在干扰后24 h的干扰效率最高,其相对表达量分别显著下降46.09%、41.95%、91.34%。RpCSP2、RpCSP6、RpCSP7在干扰后48 h的干扰效率最佳,其相对表达量分别显著下降40.18%、49.13%、38.77%。RNA干扰RpCSP4、RpCSP5、RpCSP6、RpCSP7、RpCSP8基因后显著增加了禾谷缢管蚜对高效氯氟氰菊酯的敏感性,其死亡率分别显著上升30.60%、21.18%、22.45%、14.78%和21.33%。转基因果蝇过表达RpCSP4、RpCSP5、RpCSP6、RpCSP8基因提高了黑腹果蝇对高效氯氟氰菊酯的耐受性,其抗性倍数分别是对照黑腹果蝇品系的1.20、1.35、1.26、1.32倍。 ***蛋白与杀虫剂的结合特性 为进一步研究化学感受蛋白参与杀虫剂抗性的机制,本研究利用原核表达前述RNAi或转基因果蝇验证可能参与抗药性的RpCSP4、RpCSP5、RpCSP6、RpCSP7、RpCSP8,分别获得了这5个重组蛋白,分析了这5个蛋白与高效氯氟氰菊酯等22种杀虫剂的结合特性。RpCSP4与16种杀虫剂具有结合能力,RpCSP5与11种杀虫剂具有结合能力,RpCSP6能与8种杀虫剂结合,RpCSP7能与9种杀虫剂结合,RpCSP8能与17种杀虫剂结合,说明RpCSP蛋白可能广泛参与禾谷缢管蚜对杀虫剂的抗性。 ***5编码区突变检测及突变蛋白的结合特性 为明确RpCSP5蛋白氨基酸的突变(V25A)对RpCSP5与高效氯氟氰菊酯结合亲和力的影响,我们表达获得了突变蛋白V25A并明确了其与高效氯氟氰菊酯的结合能力,研究表明RpCSP5蛋白V25A突变体与高效氯氟氰菊酯的结合亲和力无变化。 5.禾谷缢管蚜敏感和抗性品系RpCSP5基因启动子分析 为明确RpCSP5基因在禾谷缢管蚜抗性品系中上调表达的机制,基于禾谷缢管蚜基因组信息,以禾谷缢管蚜敏感和抗性品系无翅成蚜的g DNA为模板,分别克隆两个品系的RpCSP5基因启动子序列。通过序列比

关键词： 复合材料   导热性能   分子动力学模拟   液态金属   杂化填料  

摘要： 在现代科技生活中,电子设备的高密度集成与高频运行已成为常态,随之而来的散热难题,正日益成为限制其性能提升与长期稳定运行的关键瓶颈。在此背景下,设计开发具备卓越热传导性能的复合材料,已成为材料学领域亟待攻克的核心课题。聚合物基导热复合材料是一种由导热填料和聚合物组成的具有高导热系数的材料,被广泛应用于热管理领域。针对高导热复合材料的研究已有很多,但因填料自身特性或结构的限制,使复合材料导热性能的改善效果有限。因此,选择合适的填料种类以及合理设计导热结构十分必要。基于以上目的,本研究使用粗粒度分子动力学模拟(CGMD)的方法探讨了不同类型的复合材料的导热性能,并指导实验设计,制备了高导热性能纳米复合材料。研究内容如下: (1)首先,构建零维纳米球填充的聚合物纳米复合材料模拟体系,采用导通率来表征材料的导热性能。改变填充分数、粒径和界面相互作用,研究了复合材料的导热性能的变化规律。结果表明,导通率随着填充分数的增大,填料-基体相互作用的增强以及纳米球粒径的减小呈现上升趋势。通过对体系内团簇数量、纳米球配位数的计算,可以发现当填充量增加时,填料之间彼此搭接形成了一个较大的团簇,并且纳米球的配位数增大。纳米球与聚合物之间的相互作用的增强提高了其分散程度,使纳米球更容易形成热传导网络结构。通过不同尺寸的纳米球填充体系的对比,发现相同的填充分数下,填料直径小的体系导热性能更好。填料的填充量、尺寸及界面相互作用是影响复合材料导热性能的关键。 (2)为了进一步研究复合填料对导热率的提高作用,构建了零维纳米球/二维纳米片填充复合材料的模型。探究了不同条件下的导热性能以及填料的聚集状态。结果表明,与填充纳米球的体系相比,填充纳米球/纳米片杂化填料的体系具有更高的导通率和较低的逾渗阈值,证明杂化填料有利于改善体系导热效果。此外,通过控制填料的尺寸、填充量等因素可以精确调控复合材料的导热率。总之,本研究加深了对填充多维填料构建热导网络的理解,为开发更高效的导热聚合物材料提供了理论指导。 (3)前期计算模拟结果表明多维杂化填料能进一步提高导热性能,基于此基础,设计制备了高导热性能纳米复合材料。采用机械研磨的方法将六方氮化硼(h-BN)与液态金属(LM)进行混合,利用由h-BN/LM组成的气凝胶与聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合得到导热材料,并探究了h-BN与LM之间存在的相互作用和h-BN/LM-PDMS的导热性能。结果表明,LM与h-BN之间存在配位作用,LM的引入减少了h-BN在基体中的聚集。此外,h-BN与LM的协同作用可进一步提高其导热性能。对比纯硅橡胶,h-BN/LM-PDMS的导热率提高了235%,具有良好的导热性能。

关键词： 聚氨酯   弹性体   耐磨   复合材料   纤维  

摘要： 聚氨酯弹性体(PUE)作为新型合成高分子材料的代表,凭借其卓越的力学特性、宽域温度适应性、多重耐候性以及优异加工性能,已成为生物医疗、交通运输、电子封装、建筑装饰乃至航空航天等领域的核心材料。它具有独特的微相分离结构,这源于其软硬段分子间的热力学不相容性,这种特性在赋予材料优良综合性能的同时,也带来了内生热效应显著和承载能力受限的技术问题。因此,进一步提高材料的耐磨性能成为当前重要的研究内容。本文针对研究现状,拟通过对聚氨酯弹性体软段链和硬段链的组成和结构进行设计与调控,来提高聚氨酯弹性体的力学性能、耐磨性能和耐热性能,并在此基础上引入改性填料,进一步提高材料的耐磨性能。具体实验内容与结果如下: 1.通过对聚氨酯软段分子结构进行设计,成功制备了高弹高韧的聚氨酯弹性体。选用聚醚型多元醇—聚四氢呋喃醚二醇(PTMG)和聚酯型多元醇—聚己内酯(PCL)为软段单体,甲苯二异氰酸酯(TDI)和3,3’-二氯-4,4’-二氨基二苯基甲烷(MOCA)为硬段单体,通过预聚体法制备聚氨酯弹性体。探究了不同类型多元醇的加入比例与聚氨酯内部分子链协同的作用机理,进而优化材料软段结构,实现高性能聚氨酯材料的制备。通过机械性能和耐磨性能的表征,选定了多元醇最佳配比。制得的样品硬度达到60 HD,拉伸强度达到65.69 MPa,断裂伸长率达到299.37%;干磨摩擦系数和磨损率分别为0.69和1.206%;水磨摩擦系数和磨损率分别为0.15和0.086%。 2.结合聚氨酯弹性体硬段分子结构调控,显著提高了PU硬度、强度和耐磨性能。以TDI作为聚氨酯弹性体的硬段单体,引入1,4-丁二醇(BDO)对其进行修饰,通过探究BDO-TDI的含量在聚氨酯材料硬段结构的协同机理,从而优化材料硬段链的规整度,提高聚合物体系的氢键化程度,进一步提高聚氨酯弹性体的微相分离程度。最终通过测试表征,样品的硬强度达到了75 HD,屈服点应力达到了26.73 MPa;干磨摩擦系数为0.53,磨损率为0.973%;高载荷条件下摩擦系数为0.38,磨损率为0.711%。 3.利用聚丙烯腈纤维改性制备了PAN/BPU复合材料,进一步提升了材料的耐磨性能。通过对填料进行改性预处理,改善其与聚氨酯基体的界面结合情况,从而起到良好的润滑效果。通过探究改性填料的含量在材料内部耐磨的作用机理,改善聚氨酯材料的内部结构,实现改性填料与聚氨酯基体的复合。通过摩擦测试表征,最终样品的干磨摩擦系数为0.30,磨损率为0.358%;高载荷条件下摩擦系数为0.27,磨损率为0.158%;水润滑条件下摩擦系数为0.08,磨损率为0.0523%。

关键词： AlSiC   润湿行为   半导体   晶体   分子动力学  

摘要： AlSiC材料具有高强度、低密度和良好的机械加工性,在极端环境下表现出了高可靠性和散热性能,在第三代半导体功率模块的封装中,是半导体器件热管理的常用材料,对保障器件在高功率密度和高工作温度下的稳定运行发挥了重要作用。在AlSiC的制备过程中,Al/Si C界面润湿性能对复合材料的热传导性能有较大的影响,因此,有必要对Al/Si C系统表面微结构的特性进行深入的研究。 首先,采用分子动力学方法构建了五种Al/Si C体系模型,包括Si基端面、矩形沟槽、楔形沟槽和两种沟槽表面分别填充C原子,分析了900 K-1350 K温度下铝液滴的润湿特性,获得了润湿角、自扩散系数和界面能等数据,结果显示,Si C表面沟槽内填充C原子会增大铝液滴的润湿性,特别是在楔形沟槽中,铝液滴表现出良好的润湿状态。 接着,构建了3C-Si C(110)和(111)晶面,分析了在1100 K温度下铝液滴在两种晶向表面的润湿特性。结果显示,铝液滴在(110)晶面上,呈现出明显的润湿状态,而在(111)晶面上则介于润湿与疏水之间,说明基板表面晶向也会对液滴的润湿性能产生影响。 然后,又对Si C基板施加一定的外力,改变基板的形状,观察液滴在基板上的润湿性能变化,发现基板的受力状态会显著影响体系中的原子扩散和金属原子在基板内的迁移,进而影响铝液滴的润湿性能。特别是在拉伸状态下,铝原子的迁移速率较拉伸之前更快,润湿性能较好,而弯曲体系的润湿角更大,润湿性能稍差。 最后,对AlSiC复合材料的润湿性能进行了测试,测试之前先表征了15%AlSiC和45%AlSiC的表面微结构。再针对两种材料的光滑面、粗糙面、凹槽形状、液滴性质等因素开展了润湿实验,结果显示,45%AlSiC在不同表面粗糙度,不同凹槽形状下对水滴和乙醇液滴的润湿性都优于15%AlSiC材料,说明Al含量成分越高,越有利于改善复合材料的润湿性能。 这项研究进一步揭示了Al/Si C界面微结构影响材料润湿行为的机制,对于提升热传导性能,保障宽禁带半导体器件的可靠运行具有非常重要的作用。研究结果深化了AlSiC复合材料的制备理论,还为高性能电子封装材料的研发和应用探索出了一条新的途径。

关键词： 羟基磷灰石   Fe3O4纳米颗粒   超顺磁性材料   复合水凝胶支架  

摘要： 羟基磷灰石作为一种传统无机非金属材料,以其制备成本低廉、制备方法多样、生物安全性良好以及性能稳定等优势,已经在生物医用、催化以及环境等领域得到广泛的应用。近年来,为了进一步拓展羟基磷灰石材料的功能和应用领域,人们不断优化其结构,并通过制备复合材料等手段开发出多种多样的羟基磷灰石基新材料,赋予其更加多样化的功能。这些功能化的新型羟基磷灰石基复合材料不仅拓展了羟基磷灰石材料的应用范围,更为相关领域的发展提供了新颖的解决方案。本论文围绕羟基磷灰石基复合材料展开研究,将羟基磷灰石与Fe3O4超顺磁性纳米颗粒相结合,制备了超顺磁性中空多孔羟基磷灰石基复合微球材料,并在此基础上开发了复合水凝胶支架,实现了适用于骨关节炎治疗的诊疗一体化平台。论文的主要研究内容包括: (1)超顺磁性中空多孔羟基磷灰石基复合微球的制备及性能研究。采用“两步模板溶剂热法”制备了超顺磁性中空多孔羟基磷灰石基复合微球,并证明其具有独特的中空结构、高比表面积、高孔隙率、超顺磁性等特点。实验研究表明,作为一种生物医用材料,该微球展现出良好的核磁共振成像造影和药物输运性能,并且对成骨细胞分化具有促进作用。 (2)羟基磷灰石基复合水凝胶支架的制备及性能研究。针对超顺磁性中空多孔羟基磷灰石基复合微球在骨关节炎治疗过程中的植入问题,设计制备了一种以改性透明质酸作为载体,装载超顺磁性中空多孔羟基磷灰石基复合微球的复合水凝胶支架,并系统研究了该支架的材料学及生物医学方面的性能。骨关节修复实验表明,该复合水凝胶支架对软骨下骨的修复具有良好的治疗效果,同时,在治疗过程中,该支架还展现出造影剂功能,实现核磁共振成像对软骨下骨修复的无创观测,是一种诊疗一体化的骨关节炎治疗支架。 (3)浓度梯度复合水凝胶支架的制备及性能研究。针对骨关节炎治疗过程中需要对软骨和硬骨进行同步修复的难题,提出浓度梯度复合水凝胶支架,并通过“多层堆叠”和“磁场调控”两种手段制备具有浓度梯度的复合水凝胶支架。骨关节修复实验表明,相较于均质复合水凝胶支架,浓度梯度复合水凝胶支架在保持良好的核磁共振成像功能的同时,具备更好的骨关节炎修复功能。

关键词： 琼脂   Pickering乳液   乳液稳定性   脂肪替代物   益生菌封装  

摘要： 琼脂是来自红海藻细胞壁的一种线性多糖,具有优异的凝胶性、增稠性和生物相容性等,被广泛应用于食品工业、生物医药和日用化工等领域。但琼脂现有的功能特性均需要通过高温加热溶解后以溶液或冷却后以凝胶的形式体现,使得琼脂的应用方式较为繁琐。Pickering乳液是一种以不溶性固体颗粒替代传统溶解型表面活性剂来实现体系稳定的乳液。在食品Pickering乳液中,主要采用多糖、蛋白质、脂质等天然成分作为Pickering乳液稳定剂。本研究以琼脂为原料,通过美拉德反应和球磨技术分别构建琼脂-蛋白质、琼脂-脂质复合颗粒,探究琼脂基复合颗粒作为Pickering乳液稳定剂的稳定机理,并考察其在低脂食品和益生菌封装方面的应用潜力。研究结果对丰富现有多糖颗粒稳定乳液的作用机理,以及拓展“非溶解型”琼脂在食品加工中的新型应用均有重要意义。本论文的主要研究内容和结果如下: (1)通过湿热美拉德反应法,成功以琼脂和明胶为原料,制备出琼脂-明胶美拉德反应产物(AGMs),构建了琼脂-蛋白质颗粒Pickering乳液稳定剂。研究发现,AGMs在340-370 nm的激发波长和420-440 nm的发射波长范围内呈现特征荧光峰,且在294 nm处存在明显的紫外吸收,这一特性有力证实了琼脂与明胶之间发生了美拉德反应。AGMs颗粒可用于制备典型的O/W型Pickering乳液,其作用机制在于:AGMs吸附于液滴表面,形成致密的界面层,同时,液滴之间借助AGMs构建的三维网络结构相互连接。AGMs强大的空间位阻效应,有效阻碍了液滴聚集。正是这种颗粒界面层与空间位阻的协同作用,赋予了乳液更为优异的物理稳定性。 (2)以AGMs作为Pickering稳定剂,通过一步剪切法成功制备了Pickering乳液,并将其作为脂肪替代物应用于低脂蛋黄酱的制备。研究结果显示,在p H值处于1至11的区间、Na Cl浓度≤300 m M以及温度<80℃的条件下,该乳液均能维持极为优异的稳定性。流变学分析进一步表明,基于AGMs制备的低脂蛋黄酱,不仅流变特性与市售产品以及自制全脂蛋黄酱相仿,且在触变回复性方面表现更为出色。此外,通过灵活调控油相与AGMs的比例,能够制备出不同黏度的蛋黄酱产品。这一系列实验结果充分表明,以AGMs构建的Pickering乳液,作为脂肪替代物在低脂食品领域具备极为广阔的应用前景,有望为低脂食品的研发与生产开拓全新路径。 (3)通过球磨法,成功以琼脂和月桂酸为原料,制备出琼脂-月桂酸酯化颗粒(AGLs),构建了琼脂-脂质颗粒Pickering乳液稳定剂。研究显示,相较于天然琼脂,AGLs的表面和界面张力更低,表面活性更高。AGLs在液滴周围自组装所形成的网络结构,是阻碍液滴运动、维持乳液体系稳定的核心要素。在低油相乳液体系中,一部分AGLs颗粒吸附于液滴表面形成一道屏障,另一部分颗粒在水相中构建起致密的网络结构,有力地限制了液滴的运动。随着含油量逐渐增加,液滴相互靠近并堆积,形成桥接结构,与此同时,在液滴间隙生成连续的三维网络,促使液滴镶嵌其中,进而构建起稳定的乳液凝胶体系。 (4)以AGLs作为Pickering稳定剂,通过一步剪切法成功制备高内相Pickering乳液,并将其应用于益生菌的封装递送。研究显示,AGLs颗粒仅需1%的浓度即可稳定油相分数>74%的高内相乳液,最高油相含量可达90%。该乳液体系在p H>7,Na Cl≤150 m M以及温度<90℃条件下均表现出良好的稳定性。体外胃肠道消化模拟实验表明,AGLs稳定的高内相Pickering乳液可以作为益生菌递送的有效载体,显著减少消化环境对益生菌的损伤。与游离益生菌相比,该递送系统显著提高了可利用的活细胞总数,为益生菌功能性食品的开发提供了新的技术途径。