关键词： TiO2   石墨炔   H2S   气敏传感器   异质结构   水热  

摘要： 随着人们对人类健康和环境的日益关注,对硫化氢（H2S）的监测需求日益增加。暴露在低浓度（100 ppm）的H2S中会破坏各种代谢系统,并使嗅觉和中枢神经系统瘫痪。因此,及时且准确的探测H2S是非常有必要的。TiO2纳米材料具有良好的电子迁移率、相对较宽的带隙和优异的热稳定性,已被用于制作电阻型半导体气敏传感器和检测还原/氧化性气体。然而,在检测H2S气体的过程中,TiO2还存在一定的局限性,如:工作温度过高等。此外,传感器在紫外光下的灵敏度以及工作温度都有了实质性改善。因此,本文通过采用一步水热法制备了多孔TiO2纳米棒阵列、利用溶剂热法制备了石墨炔（GDY）纳米薄膜并利用水热法制备了GDY覆盖的TiO2纳米棒阵列复合材料,分别研究了其对H2S的气敏性能,得到的研究结果如下: （1）采用水热法,通过调控水热温度（150℃和180℃）和退火温度（500℃和600℃）制备出了不同形貌的多孔状TiO2纳米材料。结果表明,当水热温度为150℃,退火温度为500℃时,所制备的材料呈现多孔状纳米棒阵列,在紫外光照射下,该传感器在200℃时对5 ppm H2S的响应值为3.6,响应恢复时间为12 s/33 s。这是因为多孔棒状形貌的样品拥有较大的比表面积和较小的孔径,有利于气体的传输与吸附。 （2）采用溶剂热法通过改变退火温度（400℃、500℃、600℃）制备了石墨炔（GDY）纳米材料。结果表明,退火温度为600℃时,GDY为多孔状薄膜,相比于TiO2气体传感器,GDY基H2S气体传感器的最佳工作温度降至室温,这是因为GDY较高载流子输运能力,降低了材料与H2S气-固界面间电荷转移势垒高度。在增加紫外光照射下,其在室温下对于5 ppm H2S的灵敏度为2.3,响应恢复时间为82/79 s。 （3）为了降低TiO2气体传感器的工作温度,提高GDY气体传感器灵敏度,以水热法制备的TiO2纳米材料为生长基底,以溶剂热法制备的GDY,再通过水热法构筑了GDY/TiO2P-N异质结。结果表明,相比纯TiO2气体传感器,GDY/TiO2P-N异质结传感器在未加光条件下的最佳工作温度由200℃降低到100℃,这是由于GDY的引入降低了TiO2的基电阻（从2 MΩ降低到1.2 MΩ）。在紫外光照射下对5 ppm H2S的响应值提高到2.6。

关键词： 宏纤维复合压电材料   泵喷推进器   振动控制   LQG最优控制   遗传算法  

摘要： 泵喷推进器在工作过程中会产生结构噪声。常规材料加工的泵喷推进器往往结构重量大，难以进行尾部配重。而使用复合材料的泵喷推进器结构不仅可以大幅降低整体重量，还具备良好的耐腐蚀性与抗疲劳能力。本文围绕泵喷推进器复合材料导管结构振动控制问题，开展基于宏纤维复合材料（Macro Fiber Composite,MFC）的结构振动主动控制系统构建及验证的相关试验建模、算法优化设计、硬件平台搭建与试验等研究。将遗传算法应用于线性二次高斯（LQG）控制器优化设计中，通过试验对优化前后的算法控制效果进行对比。针对复合材料导管搭建模型辨识平台与主动控制试验平台，通过实验建模的方法获得控制模型并在空气环境中进行了谐波激励下的振动主动控制试验，尝试将基于MFC的振动主动控制推向应用场景。

摘要： 申请公布号：CN 119241922A申请公布日：2025年1月3日申请人：哈尔滨工业大学发明人：彭俊彪、林国昌、王义铭等本发明介绍了一种Si O2/C复合材料在轮胎高导热基部胶中的应用。该复合材料可以有效地替代白炭黑，制备的轮胎在具有低生热的同时具备高导热性能。

关键词： 内嵌结构   NWaFET   内嵌栅极   短沟道效应   关态漏电流  

摘要： 集成电路产业是现代电子信息行业的基石之一,高新科技例如AI、5G通信等发展都对其提出了更高的要求。为了延续摩尔定律,人们从“More Moore”角度出发,提出了Fin FET、GAAFET器件,但随着特征尺寸的进一步缩小,二者的沟道长度也几近极限。课题组因此提出了一种新型纵向纳米墙器件（NWaFET）,通过重掺杂沟道和轻掺杂漏区相结合的方式,提出了新的短沟道效应抑制方法,有利于沟道长度的进一步缩短。 在极短沟道下,栅极对远离表面的沟道内部控制能力减弱,使得关态漏电流主要在沟道内部流动,因此本文通过在NWaFET中内嵌二氧化硅的方式,利用其绝缘特性,隔断漏电流途径,减小关态漏电流,进一步抑制了短沟道效应。设置不同内嵌参数如深度、宽度以及不同沟道长度对其进行仿真验证,结果显示在沟道长度为10nm时,关态电流最大减小了约80%,DIBL和SS分别减小约57%和9%。并且沟道越短,改善的效果越明显。并对不同内嵌材料下的静态特性进行了仿真对比,其中SiO2的效果最好。同时利用SiO2的介电常数比硅小的特点,可以承受更大的电场强度,提高纵向源漏击穿电压。由于内嵌的SiO2消除了沟道内部随机掺杂波动的影响,其在随机掺杂涨落方面也有较好的表现。接着本文对其频率特性进行仿真,结果证明跨导减小的影响和栅极电容影响几乎相互抵消。 后续本文在内嵌SiO2的结构上进一步优化,通过内嵌栅极,形成内外双环栅的NWaFET结构,增强了栅控能力。从电子密度分布可以看到,相比单外栅极控制,内栅极调整了沟道内的电荷分布,尤其是中心区域的反型电荷密度得到提高。使得器件的电流驱动能力得到增强,导通电流最大提高约21%。并且仿真结果显示,栅极和沟道的耦合作用增强使其具有比内嵌SiO2更好的抑制短沟道效应表现。最后对其频率特性进行研究,其中内栅极的引入带来了更大的栅极总电容,但同时得到了更大的跨导,二者相互作用下,仍然保持着较好的频率特性。

关键词： 3D打印   聚醚醚酮   结晶   碳纤维  

摘要： 聚醚醚酮（PEEK）材料是一种高性能热塑性工程塑料,其具有耐高温、耐腐蚀、优异的生物相容性和机械性能等优势。3D打印技术是智能制造领域的前沿技术,材料利用率高、结构可设计性强、生产成本低等是其显著特点,而熔融沉积成型（FDM）是最常见也是使用最为广泛的3D打印技术之一。3D打印PEEK材料在汽车工业、生物医学、航空航天等领域具有巨大的应用潜力,但是相比于传统的模压成型、注塑成型等工艺,3D打印的PEEK样件的机械性能较差,尤其是层间强度不足已成为制约其发展的关键问题。为了解决这一问题,本研究通过设计材料体系,不仅提升了PEEK打印件的层间粘结强度和整体机械性能,还充分利用3D打印的技术优势,对其打印结构进行设计,使其具有良好的吸波性能。具体的研究内容如下: 使用化学结构相似但结晶速率较慢的聚醚酮酮（PEKK）作为层间增强改性剂,与PEEK构建共混体系,从而实现对基体材料结晶动力学的精确调控。实验结果表明,引入30wt%PEKK后,3D打印PEEK样件的层间粘接强度显著提高。Z轴拉伸强度和层间剪切强度分别提高了217%和59%。同时,PEEK/PEKK共混物在XY面内的力学各向异性得到有效降低,X轴和Y轴的拉伸强度维持在较高水平,分别为82.1 MPa和75.9 MPa。这些性能的改善源于PEKK/PEEK材料体系较慢的结晶速率,聚合物分子链有足够的时间在层间扩散,促进了层间融合。 以PEKK质量分数为30wt%的PEKK/PEEK二元复合材料为基体加入碳纤维（CF）增强材料,通过配方调控,3D打印的CF/PEKK/PEEK三元复合材料的力学性能得以进一步提升,在CF质量分数为5wt%时,材料体系的综合性能最好。此时,碳纤维的存在可以提升材料的结晶度,分散均匀,在维持一定的层间粘结强度的同时进一步增强了材料的机械性能,最大拉伸强度达到了95.5 MPa,相比于纯PEEK样件,增幅达到了20%。此外,除了普通的直线形打印结构,又设计了网格形、三角形和立方体等结构,其中三角形和网格形结构的5wt%CF/PKPE打印样件表现出良好的吸波性能,最小反射损耗值(RLmin)分别可以达到-48.8 d B和-49.5 d B,展现了其在电磁防护领域方面的巨大应用潜力。 本研究不仅为提高3D打印PEEK样件的综合力学性能提供了有效的技术途径,而且为增材制造的材料设计提供了新思路,有望推动3D打印技术在未来更多领域的广泛应用。

关键词： 核壳结构   界面催化   Pickering乳液   级联   缩合-加氢   生物柴油  

摘要： 纳米颗粒具有超高的比表面积和丰富的活性位点等优点,展现出了不同于宏观材料的优异催化性能。然而,尺寸减小会增加表面自由能,进一步促使纳米颗粒聚集,可能损害其催化活性与稳定性。为应对这些挑战,研究人员开发了核壳多孔纳米催化剂,该分层结构可保护活性位点免受环境影响,并且通过独立调整内外层组成成分,实现了多功能催化位点的灵活调整。因此核壳多孔纳米催化剂凭借其可调结构与形态,己广泛应用于各种非均相催化领域。本文分别设计并合成了多功能非均相界面催化剂,实现了生物柴油和α-烷基化腈的高效合成,研究内容如下所示: (1)本研究以Fe3O4纳米颗粒为磁性核,通过蜡/水乳液合成了 Janus纳米颗粒wax@Fe3O4@RF,在未被石蜡保护的一面进行后续胺化和可逆加成-断裂链转移改性,以聚合1-甲基丙烯酰胺-8-氨基辛烷(MAOAAO)和CO2响应单体2-(二乙胺)丙烯酸乙酯(DEAEA)。最后借助Schiff碱形成反应通过戊二醛(GA)共价连接褶皱假丝酵母脂肪酶(CRL),产生 了磁和 CO2 双响应的 Janus 核壳催化剂 P[2MAOAAO-DEAEA]@RF@Fe3O4-CRL。这种两亲性界面催化剂有效构建了油/甲醇Pickering乳液。由两亲性的Janus载体所实现的CRL的界面活化与Pickering乳液的稳定性之间存在协同效应,显著增强大豆油-甲醇非均相体系的传质,促进大豆油高效制备生物柴油。通过外界磁场吸引和CO2鼓泡,Pickering乳液可快速破乳分层,且多次循环后催化剂依然保持良好的催化活性,展示了优异的经济性和实用性。 (2)通过改进的St(?)ber方法,合成了有机-无机杂化的疏水介孔二氧化硅。为了控制Pd纳米颗粒的尺寸并充分利用其催化潜力,采用相互匹配效应进行限域调控,合成了孔中含不同大小Pd纳米颗粒的二氧化硅。接下来在表面进行单体聚合,形成了两亲性双功能核壳催化剂P[TMGILs-PEGMEMA]@Pd/0.1SiNP-OH。催化剂的两亲性使其自发均匀分散在两相界面上,壳中离子液体TMGILs的阳离子部分与OH-形成了独特的Lewis-Br(?)nsted双碱活性中心,催化Knoevenagel缩合反应,然后反应中间体进入核中被Pd纳米颗粒催化加氢,实现连续的级联催化。催化剂在最优条件下实现接近完全的反应转化率,并且循环使用6次后依然具有较高的催化效率,展现出卓越的催化性能和稳定性。

关键词： 碳中和   新能源材料   循环   可持续发展  

摘要： 中国新能源发展非常迅速，风电、光伏发电、光热发电、新能源汽车与锂离子电池等产业规模均居世界首位，是中国实现“碳达峰、碳中和”目标的重要支撑。预计2025年中国将迎来第一批大规模的风电、光伏退役，其中风电退役规模将超过100万kW，光伏退役规模超过80万kW。整个新能源汽车产业进入高速发展期，汽车动力电池的退役量也不断创新高。这些退役新能源材料与器件的与日俱增给环境带来了新挑战。

关键词： 碳纤维   阳极氧化   含氧官能团   界面性能   环氧树脂  

摘要： 碳纤维复合材料凭借其高强度、轻量化等卓越特性,在航空航天、汽车制造以及新能源等领域获得了广泛的应用。作为复合材料的关键组成部分,碳纤维与树脂基体之间的界面相在应力传递过程中发挥着核心作用,其性能直接决定了复合材料的宏观力学行为。当前对于碳纤维表面结构对界面影响的研究仍存在一定的局限性,因此,深入探索碳纤维表面含氧官能团对界面性能的影响具有重要的研究意义 本论文采用阳极氧化处理方法对碳纤维进行表面改性,系统总结了表面含氧官能团与复合材料界面性能的定量构效关系,同时揭示了界面强化机制。通过精准调控阳极氧化工艺参数（电流密度、硫酸浓度）,研究了在阳极氧化过程中目标含氧官能团的定向构筑机制,进而建立了官能团与表面处理参数之间的权重关系。研究发现: （1）阳极氧化处理显著提升了碳纤维表面的氧碳比,从未处理样品的2.6%增加至13.1%,同时表面能从37.3 m N/m提高到51.1 m N/m。这一提升主要归因于成功引入了羟基、羰基和羧基等极性官能团,由于羧基的强极性特性,其对表面能的提升贡献最为显著,而羰基对表面能的影响则表现出非线性调控特征。碳纤维与树脂间界面剪切强度从36.37MPa增强到64.33 MPa,是由于羰基通过色散力与树脂基体中的酯基形成稳定的界面相互作用网络,从而主导了界面性能的提升。三维结构-性能关系模型揭示,羰基与羧基在界面性能调控中存在协同增效机制:羧基在低浓度区间对界面应力传递效率的提升起主导作用,而羰基基团则通过全浓度范围的持续作用维持界面结合强度 （2）在电流密度为0.31 m A/cm2的条件下,随硫酸浓度增加,碳纤维表面的氧碳比呈现先增长后降低趋势,硫酸浓度达到0.3 wt%时,氧碳比增至9.67%。在此过程中,羟基浓度在动态氧化平衡机制作用下保持相对稳定;羰基浓度则随着硫酸浓度的增加先上升后下降,其峰值为2.31%;而羧基浓度整体呈现下降趋势,最高值为0.44%。当硫酸浓度为0.3 wt%时,界面剪切强度达到最大值76.90 MPa,相较于未处理样品,提升了111.4%。进一步分析表明,界面剪切强度与羰基浓度之间存在显著关联。微观形貌表征结果表明,与未处理样品相比,阳极氧化处理后的碳纤维表面未形成明显沟槽结构,排除了界面机械互锁对界面性能提升的贡献。 （3）在硫酸浓度为0.3 wt%时,随电流密度增大,碳纤维表面氧碳比呈显著增长趋势,最终达到13.90%,较未处理样品提升了442%。在电化学处理过程中碳纤维表面能由初始值37.3 m N/m持续提升至53.0 m N/m。碳纤维表面羟基浓度随电流密度的增加呈现缓慢上升趋势,但其增长受到转化为羰基和羧基过程的限制;羰基浓度随电流密度的增加先上升后下降,在0.26 m A/cm2条件下达到2.38%的峰值;羧基浓度则随电流密度的增加持续上升,高电流密度下羧基浓度上升源于阳极氧化反应路径向深度氧化转变,导致前驱体羰基的进一步氧化。在0.21-0.31 m A/cm2的中等偏低电流密度范围内,界面剪切强度达到峰值。进一步验证了羰基浓度与界面剪切强度间的正相关性。实验证实,通过调控电流密度参数,可实现碳纤维表面化学组成的定向调控,进而显著改善其与树脂基体的界面结合性能。

关键词： 还原氧化石墨烯   碳量子点   T3C2Tx   二氧化钛纳米颗粒   超级电容器   高密度电极   嵌入   堆叠构型  

摘要： 由于“空间焦虑”,体积比性能(能量和功率等与体积的比值)对电化学储能器件愈发重要。超级电容器是一种通过电极表面的静电吸附或快速的法拉第反应储存电荷的能源存储设备。提升超级电容器的体积比性能的意义重大,可以促进电子器件及设备向便携式、小型化发展。为提升体积能量密度,首先,需要设计电极结构,使其兼具高活性表面积和高密度。其次,基于器件整体考虑,需要降低整个器件中集流体、隔膜、粘结剂、电解液和外包装等非电极材料组件的占比。然而,电极材料中电导率、密度与孔隙率之间的矛盾关系,对实现体积能量密度与功率密度的协同优化构成了挑战。为此,本论文研究了基于石墨烯和MXene的高密度膜电极的结构调控方法,通过在石墨烯表面均匀附着碳量子点并采用焊接方式使它们连接紧密,或在Ti3C2Tx表面氧化刻蚀纳米孔形成二氧化钛(TiO2)纳米颗粒,由于嵌入的纳米颗粒避免了纳米片“自堆叠”,二维材料碳基高密度膜电极中电子传导和离子迁移得到优化,其基于体积的比容量和功率性能得以改善。最后,从整个器件考虑,通过减小膜堆叠构型中电解质层厚度,增加单个电极单元负载,提升了整个器件中电极材料的体积分数,进而改善了整个器件的能量密度和功率性能。主要研究内容如下: 1、结合水热工艺和抽滤方法,将碳量子点(CQDs)固定在还原氧化石墨烯(rGO)纳米片上,并将其嵌入在rGO纳米片层间,制备了高密度rGO/CQDs复合膜,平衡了密度和表面积的关系,提升了 rGO基膜材料的体积比容量。进一步地,测试了 rGO/CQDs复合膜电极在高压力下的电化学性能,通过理论模拟阐明了 rGO/CQDs复合膜高抗压力性能的理论机制,为设计高密度电极和耐压型储能器件提供重要指导意义。 2、提出海藻酸钠(SA)自收缩诱导的“焊接”策略,在保持高表面积和高密度的基础上,实现了 rGO/CQDs复合纳米片的良好连接,制备出高导电、高密度但多孔的还原氧化石墨烯/碳量子点/海藻酸钠衍生碳(rGO/CQDs/SADC)复合膜电极。研究了 SA用量和水热温度对复合膜电极电化学性能的影响。由于CQDs的嵌入和海藻酸钠衍生碳(SADC)的“焊接”作用,电极中离子和电子的迁移路径被同步优化,从而实现快速电子传导离子和离子迁移,大幅提升了功率性能(12,307.7 W cm-3的超高功率密度),该方法对设计超高功率储能设备有重要借鉴意义。 3、Ti3C2Tx纳米片的“自堆叠”降低了离子可到达表面积和离子迁移速率,严重限制了其电容和倍率性能。为此,开发了一种H2O2氧化刻蚀工艺,通过调控H2O2用量,实现了 Ti3C2Tx纳米片的可控氧化和刻蚀。进一步地,采用抽滤方法制备了高密度TiO2/H-Ti3C2Tx复合膜,研究了 H2O2用量对TiO2/H-Ti3C2Tx复合膜电化学性能的影响。由于TiO2的支撑作用和多孔Ti3C2Tx纳米片,离子迁移通道得以优化,离子可到达表面积明显增加,相应地,TiO2/H-Ti3C2Tx膜电极的体积比容量和倍率性能得以改善。该方法简单高效,对设计高倍率性能的MXene基电极具有重要意义。 4、高导电膜交替堆叠构型超级电容器可以在保持功率性能的同时提升体积和面积能量密度。该构型为避免使用隔膜,降低非活性材料占比,采用了凝胶电解质,但是较厚电解质层和较薄单个电极单元限制了器件的能量密度。为此,选择高负载量的TiO2/H-Ti3C2Tx膜作为电极单元,并在电极层间引入绝缘的超薄聚丙烯腈(PAN)网格膜,以降低电解质用量。相应地,整个器件的电极材料占比大幅提升,进而提升了其体积能量密度。同步地,对凝胶电解质进行改进,提高了离子电导率,改善了器件功率性能。该研究对设计紧凑型储能器件具有重要借鉴意义。