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[硕士论文] 肖遥
建筑与土木工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:FRP(Fiber Reinforced Polymer)材料现存应力的检测方法相对较少,针对预应力FRP片材找到一种简便、可靠且能满足工程实际要求的检测方法具有十分重要的意义和价值。本文针对上述问题提出了预应力FRP片材现存应力的振动测试方法,并利用铰式波形锚具张拉系统对不同长度的碳纤维板在不同张拉吨位条件下进行振动试验,研究该方法的可行性以及分析其测试精度。
  本文主要做了以下几个方面的工作:
  (1)大量查阅文献,概述了一系列较为实用的预应力检测方法及其原理,总结了其优劣性。然后从振动力学的角度系统性的阐述了振动法测试预应力的原理以及弦振动原理中张拉力与频率之间的关系,为后面的计算分析提供参考和依据。
  (2)本文从试验的角度出发,测试了不同长度的CFRP片材在不同张拉力条件下的振动频率。引用频差法计算自振频率的阶数,并利用平均法处理基频的原理验证了频率阶数计算的正确性,并对测试频率的误差进行了计算,验证了频率测试的准确性。同时,对张拉力和(fn/n)2进行了线性拟合,结果表明张拉力和频率对应阶数商的平方存在较好的一阶线性关系,线性度较好,说明了碳纤维板的振动符合弦振动理论。
  (3)将测试的频率代入弦理论张拉力—频率公式反推张拉力的计算值,与张拉力的真实值进行比较,计算其相对误差,并对试验误差的原因进行了分析说明,验证了振动法测试碳纤维板现存应力的可行性和适用性。同时,对5组试验方案的测试结果进行对比分析,当张拉力较大时(N≥50kN),测试结果精度较高,满足工程误差要求,提出了该方法的合理适用范围。
  (4)依托加固工程进行了振动试验研究,试验结果表明了工程实际条件下的测试误差相对于实验室条件下偏大,当张拉力达到70kN时基本满足工程实际要求,试验结果整体符合实验室条件下的规律,进一步验证了上述结论的正确性,并且对工程实际条件下的误差原因进行了分析。
  (5)阐述了频率采样和频谱分析的原理,并分析了采样和频谱分析过程中产生误差的原因以及频率测试误差对张拉力的影响。通过公式推导,得出了张拉力计算值与采样率、频率分辨率、采样点数的关系,在测试过程中应该综合考虑这三个参数,进行合理的选取。
[硕士论文] 宋何阳
建筑与土木工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:现如今,全国隧道与地下工程建设面临“构造复杂、地质环境多变、灾害频发”的严峻考验,施工中遭遇的突水灾害治理堪称世界级工程难题,现阶段注浆材料在注浆前期工作性、后期耐久性两个方面存在一定缺陷。为了解决此类问题,本文主要研究影响C-S材料性能的主要因素,通过控制一级粉煤灰掺量、A液(水泥净浆)水灰比、A液B液体积比、磷酸氢二钠掺量等变量对C-S双液注浆材料进行一系列的改良。首先采用正交实验选取最优的改性C-S材料配方;其次在实验室条件下将改性C-S材料与普通注浆材料在流变性能、抗水溶蚀性等性能进行对比,并通过宏观和微观两个手段进行分析;最后利用固-流藕合模型进行注浆模拟,研究分析改性C-S材料与普通注浆材料的注浆性能,并提出符合改性C-S材料的注浆方程。主要研究成果如下:
  (1)C-S材料中A液(水泥净浆)根据析水率、流动度两个条件综合考虑:水灰比越大,A液析水率越大,注浆效果越差;水灰比越大,水泥颗粒越分散,早期水泥颗粒之间水化后连接较少,水泥早期水化速度减慢,从而流动度越大。综合考虑,C-S材料的A液(水泥净浆)水灰比应控制在0.7-1.3之间。
  (2)A液的水灰比、A液与B液之间的体积比、一级粉煤灰掺量、NaH2PO4掺量都会影响C-S材料的凝结时间,其中NaH2PO4在某种程度上能够很好地控制C-S材料的凝结时间。提高A液的水灰比可以提高C-S材料的流动度,粉煤灰的加入可以很好地改善C-S材料的流动度。降低A液的水灰比、降低一级粉煤灰掺量、降低NaH2PO4掺量可以降低C-S材料早期的析水率。
  (3)通过正交实验确定了改性C-S材料的配方,利用实验室条件将改性C-S材料、普通C-S材料、单液材料进行性能对比。通过XRD、SEM等微观手段重点分析在抗水溶蚀性能方面改性C-S性能优于传统C-S材料的原因。最终得出改性C-S材料在流变性能、抗水溶蚀性能方面优于传统注浆材料。
  (4)利用固-流耦合地层模型进行注浆模拟,模拟发现在相同注浆量的条件下,改性C-S材料的注浆有效扩散半径要大于传统注浆材料的有效扩散半径,注浆效果较好;并通过流变力学对注浆公式进行推导,根据现场试验对公式进行修正,得出了能反应实际注浆情况的注浆方程。
[硕士论文] 赵芯
土木工程;结构工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:功能梯度材料属于复合材料的范畴,它将多种材料按照一定的规律结合,使其结构及力学性能按照一定的规律变化,从而实现对各个组分材料优点的综合利用,弥补了传统单质材料的缺陷。在已有关于功能梯度材料力学性能的研究中,大都是将线弹性材料作为其组分材料,通过有限元软件、实验及理论计算等方式对其力学性能进行研究,但在国内外研究中,少有研究将超弹性材料作为功能梯度材料的组分材料。对此,在本课题的研究中,将超弹性材料作为功能梯度材料的组分材料,并且基于该材料建立功能梯度软管二维平面模型,对其起皱行为进行有限元模拟。
  本文利用ABAQUS所提供的二次开发接口,对软件的材料库进行了扩充,以Neo-Hookean材料作为功能梯度材料的组分材料,在UMAT中实现对其本构模型的定义。然后基于该UMT子程序在ABAQUS中对功能梯度软管的起皱进行有限元模拟,并且通过改变材料和模型参数探究其对软管内壁自由表面起皱的影响。因此,本文的主要研究内容如下:
  (1)回顾超弹性材料本构理论,总结常用的超弹性材料本构模型,对常用超弹性材料的应变能密度函数、应力计算理论等进行简要介绍;
  (2)总结超弹性材料在ABAQUS软件中的实现方式,对比各种方式的优势与不足。选择Neo-Hookean模型作为本课题的研究对象,基于Neo-Hookean模型本构关系对其UMAT子程序进行开发,并验证所开发子程序的正确性。再结合功能梯度材料等效物性参数理论对超弹性功能梯度材料UMAT子程序进行开发,完善ABAQUS软件的材料库;
  (3)基于功能梯度材料UMAT子程序进行功能梯度软管起皱的有限元模拟,通过改变材料参数及模型参数探究其对功能梯度软管内壁起皱的影响,探究引起功能梯度软管内壁自由表面起皱的临界应变,同时定性分析材料参数及模型参数的改变对FGM软管内壁起皱形貌演化所造成的影响。
  本课题基于超弹材料本构理论开发了Neo-Hookean材料的UMAT子程序,并且验证了其正确性,在此基础上进行超弹性功能梯度材料UMAT子程序的开发,扩充了ABAQUS软件材料库。基于开发的超弹性功能梯度材料UMAT子程序模拟出了给定条件下功能梯度软管内壁的起皱,通过拟合初步得到功能梯度软管内壁自由表面起皱的径向临界应变值和环向临界应变值,同时发现功能梯度软管组分材料弹性模量比值的变化不会对功能梯度软管内壁起皱的径向临界应变值和环向临界应变值造成影响,而组分材料的泊松比变化会改变起皱的径向临界应变值和环向临界应变值。功能梯度软管半径、厚度、位移边界条件的改变同样会显著影响其内壁的起皱情况,导致内壁不起皱或有限元计算结果不收敛。
[硕士论文] 王卫芳
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:液滴颗粒沉积图案的研究,是电力电子技术、材料和化学三个学科的交叉融合。影响图案形成的因素有很多,但很少有人利用等离子体技术处理材料表面从而调控颗粒沉积图案。因为低温等离子体的放电形式比较复杂,且难以观察。因此,本文从理论和实验两方面入手,探究了一种调控多种材料表面同心环沉积图案的低温等离子体处理系统。
  论文中叙述了低温等离子体对颗粒沉积图案的影响主要由材料表面的特性决定。为了探究改变材料特性因素,设计了交流可变等离子体实验电源,具体分析了三相整流电路、逆变电路的参数设定和IGBT驱动电路的工作原理,以及高频变压器铁芯和绕组的选择。利用示波器观察李萨如动态放电图形,以此实时反应放电强度,再根据等效电容分析得出,板-板电极间插入的阻挡介质种类、电源施加的电压大小以及放电气隙都可以影响放电强弱。实验选择了三种阻挡介质,分别是石英、聚四氟乙烯和氧化铝陶瓷,根据三者的放电电流对比实验得出,阻挡介质是聚四氟乙烯时,气隙放电最均匀稳定。然后,讨论了电源参数变化时,板-板电极的放电电流和功率的变化情况。由实验发现聚四氟乙烯为阻挡介质时,易形成稳定的丝状放电,更适用于对颗粒沉积图案的调控。
  利用上述低温等离子体处理系统分别处理聚二甲基硅氧烷(PDMS)和载玻片表面,通过简易接触角测量装置,捕获接触角图片,使用Image J软件分析图片,进而在处理前后的材料表面,进行颗粒沉积图案实验,借助偏光显微镜采集颗粒沉积图案,用Image-Pro Plus软件对图片进行分析处理,分析出随着等离子体输入电压的增加,材料表面的亲水性增强,同心环之间的环环间距显著增加。同时改变溶液浓度,发现随着浓度的增加,液滴内部同心环减弱,甚至渐渐消失,外部的同心环随着浓度增加渐渐变的清晰。
[硕士论文] 刘誉贵
材料科学与工程;材料学 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:随着石油资源的日益枯竭,可供道路建设利用的沥青材料终将面临供应危机。与石油沥青相类似,生物油也是一种由生物质资源转变而来的有机高分子物质,具有部分或完全替代石油沥青的发展潜力。本文以木质纤维素类生物质为原材料制备生物质重油,将重油按比例掺入到50#基质沥青制备生物沥青,并对比生物沥青与50#、70#基质沥青性能。
  本文选用废弃木屑作为木质纤维素类生物质液化研究的代表物,氮气为液化保护气,选用乙醇与乙二醇的混合物作为液化溶剂,采用溶剂热液化方法液化木屑,液化产物经滤布过滤、减压蒸馏得生物质重油。本文重点研究研究混合溶剂配比、液固比、催化剂用量、反应温度、停留时间五个工艺参数对生物油产率的影响,当五个工艺参数分别为1∶1、6、3%、250℃、30min时有较高的重油产率。
  本文采用热值分析重油、木屑及化石燃料的热值差异;NMR、GC-MS测试重油的组成结构与成分;FT-IR对比各液化产物及重油与70#基质沥青的官能团差异;ICP对比重油、固体残渣及70#基质沥青的元素差异;TG、GPC分别对比重油与70#基质沥青的热稳定性与分子量及其分布;利用SEM表征固体残渣的微观形貌。结果发现,重油与70#基质沥青的元素组成、分子量存在差异,但存在相同官能团,且重油有较好的热稳定性,具有用作道路胶结料的潜力。
  将重油按一定比例外掺50#基质沥青得到生物沥青,并对比生物沥青与50#、70#基质沥青的性能。通过三大指标对比各沥青试样的基本物理性能;利用布氏粘度计测试不同温度条件下各沥青试样的黏度,对比各沥青试样的拌合与压实温度;水煮法测试生物沥青与集料的黏附特性;DSC测试生物沥青与基质沥青的Tg,对比各沥青试样的低温性能;采用DSR进行温度扫描测试、频率扫描测试及MSCR测试,对比各沥青试样的高温抗永久变形能力、抗剪切性能及蠕变性能。结果表明,10%重油掺量的生物沥青与70#基质沥青有相近的三大指标与黏度,低温性能、高温抗永久变形能力、抗剪切性能及蠕变性能较70#基质沥青更为优异。
  本文以木屑生物质为原材料,制备生物质重油与生物沥青,既实现废弃生物质资源的合理利用,又可节约不可再生化石资源,符合道路建设长期发展的绿色理念。通过对重油与生物沥青的多项性能研究,为生物沥青替代石油沥青的研究提供参考。
[硕士论文] 郭园
机械工程;机械设计及理论 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:针对传统刚性关节、非线性类肌肉关节难以满足新的制造模式对自适应、智能化生产需求的问题,提出了一种变刚度、高性能形状记忆合金(Shape Memory Alloys,SMA)-电机复合驱动仿生肘关节,通过研究仿生肘关节各扰动耦合要素与整机刚度、末端位姿的映射关系,建立“SMA-电机”复合驱动仿生肘关节变刚度调控模型、运动学模型与动力学模型,分析仿生肘关节的变刚度特性、运动学与动力学特性,并对其分别进行仿真验证。
  本文的主要研究内容主要分为以下几点:
  (1)复合驱动仿生肘关节结构设计与运动学研究
  针对传统机器人关节功率质量比低、传动复杂等问题,受人体肘关节生物结构的启发,设计了一种基于形状记忆合金与电机的复合驱动仿生肘关节,并采用复合驱动关节代替六自由度关节机器人的第四、第五关节,基于D-H理论建立机器人整机运动学模型,求解复合驱动仿生肘关节与机器人末端位姿的映射关系,通过复合驱动关节转角的理论值、误差值和神经模糊控制的修正值在机器人末端位姿X、Z、Y三个方向上的对比,进一步证明了复合驱动仿生肘关节在神经模糊控制下具有较高的运动精度,满足设计需求。
  (2)复合驱动仿生肘关节变刚度研究
  针对传统刚性关节输出刚度不可调、无法实现力/位姿精度双重控制的问题,基于SMA本构力学模型、理论力学与人体肘关节刚度输出特性,建立了复合驱动仿生肘关节变刚度调控模型,分析不同加热温度、不同SMA丝径、不同SMA丝长情况下复合驱动关节刚度输出特性,探究复合驱动仿生肘关节变刚度调控机理。仿真结果表明设计的复合驱动仿生肘关节具有变刚度特性,通过改变SMA丝径、SMA丝长以及SMA丝加热温度可以实现复合驱动仿生肘关节的变刚度调控。
  (3)复合驱动仿生肘关节动力学研究
  针对形状记忆合金-电机复合驱动关节应力应变非线性、形变时滞性、多因素耦合影响关节运动精度的问题,分别提出双输入-四输出的模糊控制算法、以生物基因调控网络(Gene Regulatory Network,GRN)为基础的时空耦合模型,分析复合驱动关节位姿与力的反馈信息对关节运动状态的影响,基于拉格朗日动力学,构造复合驱动关节调控模型并推导复合驱动关节俯仰运动和旋转运动的动力学方程。研究结果表明所构建的复合驱动仿生关节调控模型可以有效降低关节俯仰和旋转运动的位置误差和速度误差,可以实现“SMA-电机”复合驱动仿生肘关节的精准位姿控制。
[硕士论文] 李孝坤
土木工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:多孔地质聚合物是以粉煤灰、偏高岭土等为原料制备的轻质多孔材料,不仅具有低能耗、低污染优异特点,而且能够减小建筑能耗,实现节能保温,符合我国的“节能减排”战略需求,是一种绿色环保,且应用前景广阔的材料。本文以多孔地质聚合物的制备及表征为出发点,通过油基碱激发粉煤灰和磷酸激发偏高岭土两种多孔地质聚合物的制备及表征,研究多因素条件下多孔地质聚合物的性能。主要包括以下两方面工作:
  以大豆油为乳液制备了碱激发粉煤灰多孔地质聚合物,研究了激发剂含固量和油水体积比对所制备多孔地质聚合物抗压强度、密度、孔隙率以及吸水率的影响。结果表明,在合理的配合比设计下,油水体积比为1时,可制得孔隙体积率48%,吸水率44%,干密度1.01g/cm3,抗压强度2.0MPa,且孔隙贯穿的多孔地质聚合物。含固量为0.25时,通过改变油水体积比可以制备出孔隙体积率在47%,吸水率在50%,干密度在1.02g/cm3,抗压强度在1.7MPa,孔洞贯穿的碱激发多孔地质聚合物。
  以OP-10为乳化剂制备了磷酸激发多孔地质聚合物,研究了煅烧温度对其微观结构、力学性能和吸水率的影响。结果表明,磷酸激发多孔地质聚合物孔隙率高,且孔隙均匀,渗透性好。随着煅烧温度的升高,其吸水率、强度和孔隙率均逐渐升高。煅烧温度为1000℃时,可取得最佳效果。
[硕士论文] 陈罚
机械工程;机械制造及其自动化 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:隔热材料具有显著降低热辐射、热反射和热传导的能力,可有效地防止热量损失,因而具有优异的节能性能,被广泛应用在工业和民用领域,这对当今因能源短缺而强调节能环保的社会,具有重要的社会经济意义。隔热材料早在几千年前就被人们用于房屋建筑等领域,并致力于优化材料的隔热性能,目前建筑行业普遍使用的有机隔热材料虽隔热性能优良,但其易燃且燃烧时产生大量有毒气体,给使用场合带来了巨大的安全隐患。无机隔热材料热稳定性好,但隔热性能和成型性差,且有的在使用过程中易掉渣和吸水,容易毁坏和污染使用场合,石棉等甚至具有致癌性。因此设计制备一种隔热性能优良、防火、环保且具有一定机械强度的新型隔热材料就显得十分重要。
  本文通过使用具有超长纳米线结构的羟基磷灰石作为支撑骨架,二氧化硅气凝胶颗粒作为填充物,通过二次成型法,制备出了一种新型的具有低导热系数、优良的耐火性能且柔性的纳米复合隔热纸。通过调节二氧化硅气凝胶含量,研究气凝胶含量对纳米复合隔热纸机械性能、隔热性能、热稳定性以及耐火性能的影响,优化了纳米复合隔热纸配方,并获得了综合性能优良的纳米复合隔热纸。研究得到以下结论:
  (1)二氧化硅气凝胶颗粒均匀地分布在羟基磷灰石纳米线所构筑的三维网状结构中,且不同二氧化硅气凝胶含量的复合物均展现出良好的柔性。随着二氧化硅气凝胶含量的增加,纳米复合隔热纸内部缺陷增多及纳米线之间交联减少,复合纸的极限拉伸强度从329.3±16.4kPa降低到140.3±5.7kPa,但此强度仍大于大部分纤维增强的气凝胶的强度;
  (2)随着二氧化硅气凝胶含量的增加,纳米复合隔热纸室温下的导热系数从0.0564W/(m·K)下降到0.0448W/(m·K),表明二氧化硅气凝胶的添加可以极大增强复合纸的隔热性能。理论分析表明:隔热性能提高可以归因于羟基磷灰石纳米线和二氧化硅气凝胶本身固有的低导热系数、纳米复合隔热纸纤维型结构以及气凝胶含量的增加使传热路径复杂化等因素;
  (3)热稳定性分析表明,所有种类的纳米复合隔热纸在高达800℃的温度下,质量损失均不超过10%,展现出极佳的热稳定性,并且纳米复合隔热纸内部气凝胶表面甲基氧化温度较纯气凝胶表面甲基氧化温度升高了131℃,表明羟基磷灰石纳米线的存在能够极大提高内部气凝胶的热稳定性;
  (4)UL-94垂直燃烧试验及微量燃烧量热仪的表征结果显示,所有种类的纳米复合隔热纸均展现出优异的防火性能,防火等级达到UL94V-0,同时均具有很低的热释放能力。
  因此,综合制备出来的羟基磷灰石/二氧化硅气凝胶纳米复合隔热纸优异性能,其在绝缘材料的保护层、防火壁纸、特种防火服、管道隔热等领域具有极大的应用前景。
[硕士论文] 夏曼曼
应用化学 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:乳化炸药自生产之日起,其稳定性问题就一直存在,油相材料作为乳化炸药的重要组成部分,对于防止硝酸铵析晶和乳胶膜的破坏有重要作用,现在常用的复合蜡虽然性能优良,但其制备的乳化炸药储存期短、储存过程中易破乳,使乳化炸药爆轰性能下降甚至拒爆,给用户带来财产损失和安全隐患,因此研制新型油相材料,提高乳化炸药稳定性具有重要意义。
  本文将微晶蜡、凡士林、与液体油(甲基油、大豆油、菜籽油)按一定比例混合制备新型复合油相,将其应用到乳化炸药中,以期寻找一种能够提高乳化炸药稳定性的新型油相材料。通过对不同油相制备的乳胶基质的显微镜观测、高低温循环、硝酸铵析出量测试以及流变性研究发现,与常用复合蜡相比,油相1#-1、1#-2制备的乳胶基质分散相粒子大小均匀,粒径较小,高低温循环后硝酸铵析晶量较小,新制备的复合油相能够在很大程度上提高乳胶基质的环境储存稳定性。
  借助热重分析仪研究新型油相制备的乳胶基质热稳定性,运用Ozawa、Friedman、Vyazokin-Weight法求解了三种试样的热分解反应的表观活化能分别为172kJ/mol、146kJ/mol、105kJ/mol,表明新型复合油相制备的乳胶基质热稳定性较好。采用C-R积分方程和Achar微分方程计算1#-1制备的乳胶基质的热分解动力学方程符合随机成核和随后生长(n=2)机理,即Avrami-Erofeev方程。
[硕士论文] 时俊磊
材料工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:TiO2属于阴极电致变色质材料,因它具有高着色效率,作为无机电致变色质材料而被广泛研究。在三种晶型当中,锐钛矿的TiO2的电致变色效果最佳,但仍不能满足人们对高性能电致变色器件的要求,同时,其循环寿命和稳定性也是TiO2薄膜考虑的重点。合适的制备方法和优化制备工艺来提高薄膜的性能外,掺杂也是改善TiO2薄膜性能的主要途径。
  本文用溶胶-凝胶法提拉镀膜工艺,将钛酸四丁酯放入溶剂无水乙醇中,经磁力搅拌后,再加入抑制剂冰醋酸,然后加硝酸和去离子水于无水乙醇中来使其成酸性,最后成功制出TiO2及其掺杂的前驱体溶胶。经过提拉镀膜,成功制备TiO2电致变色薄膜以及一系列Sm3+、B3+掺杂TiO2薄膜。分析热反应机理用热分析仪测定,表面形貌分析用扫描电镜观察,对其晶型的构造及无定形程度用X-射线衍射研究,对其光学性能用紫外-可见光光度计检测,用三电极法测其电化学性能。其研究结果如下:
  (1)TiO2薄膜热处理效果最佳的温度为400℃,经蒸发、有机物的分解和燃烧等阶段,TiO2及其掺杂了的干凝胶的质量逐渐降低,直至质量不再变化以后,TiO2由锐钛矿转到金红石的晶型晶体。
  (2)TiO2薄膜以锐钛矿相的形式存在,具有较好的电致变色机能,稳定性和着色效率高,在可见光谱区域内,最大光透过率能够达到了75%左右。
  (3)溶胶-凝胶法制备的TiO2薄膜,微观下呈现纳米疏松多孔、表面粗糙、不平整的特性。疏松多孔结构为离子运输提供便利,提高离子的存储能力,从而提高材料的电致变色性能。
  (4)通过将Sm(NO3)3溶液和H3BO3溶液依次加入到TiO2前驱体溶液中,制备含掺杂了B3+、Sm3+的TiO2电致变色膜,掺杂了Sm3+的浓度为10%时,薄膜的电致变色性能最好。引入B3+的掺杂浓度为9%时,薄膜具有最佳的电致变色性能。
[硕士论文] 张涛钢
材料工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:偶氮苯聚合物是具有可逆顺反异构能力的光响应聚合物材料,也是目前研究最为广泛的一类光响应聚合物,特殊的光响应性质使其在信息存储、致动器和表面活性剂等领域得到广泛应用。近来有研究者设计制备了一种紫外光/可见光照射下能实现固液转变的偶氮苯聚合物,表面应力实时变化的研究对促进偶氮苯聚合物在聚合物加工、智能光驱动以及表面活性剂等领域的发展有重要意义,然而其固液转变的特性也为表面应力变化的研究带来难度,本文利用微悬臂梁传感器对可固液转变偶氮苯聚合物表面应力的实时变化进行研究,主要工作分为装置搭建和实验探究两大部分。
  本文针对偶氮苯聚合物表面应力的研究自主设计并搭建了微悬臂梁修饰装置和微悬臂梁传感检测装置。微悬臂梁修饰装置主要用于实验前将偶氮苯聚合物修饰在微悬臂梁表面上,用于表面应力的实验检测,研究主要通过改变溶解方法和修饰方法最终实现了偶氮苯聚合物的均匀修饰,为实验检测结果的可靠性打下基础。微悬臂梁传感检测装置主要用于检测偶氮苯聚合物表面应力实时变化实验中微悬臂梁的偏转大小,主要包括光杠杆检测系统、紫外光/可见光切换系统和温度控制系统三大系统,研究主要通过实际标定和理论计算得到装置的精确度,并利用温度响应实验对装置的精确度进行验证,对实验检测装置的温度灵敏度进行探究。实验结果显示:装置稳定性较好,精确度可达3.74nm,温度灵敏度可达0.12℃。
  应用微悬臂梁传感检测装置,本文对可固液转变偶氮苯聚合物表面应力的实时变化进行了实验探究。实验主要分为对偶氮苯在紫外光/可见光交替照射下固液转变期间表面应力的实时变化、连续循环交替照射下表面应力变化以及不同紫外光光强照射下表面应力实时变化变化三个部分的探究。根据实验数据对实验结果进行分析总结,结果表明:可固液转变的偶氮苯聚合物表面应力的变化在紫外光下呈现先减小再增大再减小至平衡的变化,在可见光照射后回复至原来状态,并且表面应力的变化呈现可循环的、受光强影响的结果。这种良好的重复循环的特性以及光强越强变化越大的规律将使可固液转变偶氮苯聚合物在致动器和可调控表面活性剂领域有更为广泛的应用。论文在最后对全文所涉及的装置搭建工作以及偶氮苯聚合物性质研究工作进行了简单的总结以及展望。
[硕士论文] 钟磊
化学工艺 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:脂肪酸相变储能洁净材料具有合适的相变温度、潜热高、无过冷现象、无毒、无腐蚀性、化学稳定性和热稳定性好等优点,然而单一脂肪酸(FA)相变温度较高,限制了其应用领域,为了获得相变温度适中、性能优良的相变材料(PCM),将五种FA复合,形成低共熔脂肪酸相变材料(FAM),将其应用于节能建筑领域,有效减缓室温波动,改善室内舒适性,解决能量供求双方在时间和空间上的不匹配问题,扩大其应用范围,减轻对传统石化能源的依赖,缓解能源危机,改善生态环境,为其产业化生产提供理论依据。
  选用五种单一FA为原料,根据最低共熔点理论进行组分调配,采用熔融共混法制备二元脂肪酸相变储能材料(BFAM)和三元脂肪酸相变储能材料(TFAM),研究其热性能和影响因素。结果表明:五种BFAM和三种TFAM相变温度适中,具有良好的热性能,可通过理论调控FAM组分配比改善相变温度,满足人体对建筑舒适温度范围(18℃~28℃)的要求。
  以BFAM和TFAM为基元相材,以多孔结构的粉煤灰(FM)和石膏板(SG)为载体材料,采用熔融浸渍法制备粉煤灰复合相材(CFAM-F)和石膏板复合相材(CFAM-S),并研究其热性能、蓄放热性能和循环稳定性。结果表明:复合是物理共混,具有较好的相容性,固-液相变不发生泄露;复合前后,相变温度基本不变;500次冷热循环质量损失率在8%之内,温度阻尼率在242%~953%之间,说明网状多孔结构的载体材料有效保护了复合相材的热物性和稳定性,满足节能建筑的应用需求;将高热导率膨胀石墨(EG)添加到复合相材中,明显改善其导热性能,导热系数提高2~15倍。
  设计建造了两座小型模拟房,将含15%的LA-MA/TDFM和含12%的LA-MA-PA/PDFM嵌入在墙体中,简化房间传热模型,选取淮南2016年至2018年冬季气候条件,建立了相关联性的实验验证和数值计算的研究方法,采用凝固/熔化瞬态分析焓法模型,研究了相变传热自调温过程。结果表明:与普通墙体相比,相变模拟房自调温效果明显,其保温效果在2℃~7℃,温度阻尼率在177%左右,节能效率在29%左右,将一天中最炎热或者最寒冷的时间段平稳过渡,明显改善了建筑墙体的蓄热能力,满足建筑居住舒适温度的要求,达到控温、节能和省电的目的。并采用ANSYS软件数值模拟研究了相变模拟房墙体厚度和波动环境温度对室温变化产生的影响,结果表明:提高墙体厚度和环境温度可以进一步改善调温效果,合理配置脂肪酸复合相变储能材料(CFAM)的相变温度、热物性、组合方式、使用形式,可以优化CFAM的建筑节能效果。
[硕士论文] 杜文涛
工业工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:泡沫温拌技术作为温拌家族的重要一员,除了具备温拌技术节能、减排,提高混合料和易性,延长混合料寿命等特点外,还具有不需要添加任何额外的化学添加剂,仅需沥青质量2%水的特点,是一项真正“绿色环保”的沥青路面技术。泡沫沥青温拌混合料在我国沥青路面施工中还处于摸索阶段,还未形成完整的施工规范和质量保证体系。施工质量难以保证,也影响了该技术的推广应用。因此,对泡沫沥青温拌混合料生产工艺及生产中的质量管理进行深入研究,将为该技术在我国的推广应用奠定基础。
  本文以“温拌用泡沫沥青设备研发及其应用关键技术研究”项目为依托,通过对泡沫沥青性能指标及其影响因素进行试验分析,结合泡沫沥青生产设备系统研究,确定以发泡用水量与沥青温度作为影响泡沫沥青混合料性能的主要控制指标。通过分析了国内主要温拌用泡沫沥青生产设备的性能。本文运用CAE分析方法对发泡性能影响因素进行研究,提出了对现有泡沫沥青生产设备的改进方案,改善了泡沫沥青设备性能。
  本文通过对泡沫沥青混合料的性能指标及其影响因素进行分析,提出了用体积指标和组成指标作为混合料的生产过程质量控制关键指标。运用层次分析法综合分析了这些指标的重要程度和相互影响。通过对路面施工质量控制理论和泡沫沥青混合料施工工艺技术结合进行研究,提出了泡沫沥青性混合料质量控制指标体系,创新性的将全面质量控制理论、PDCA循环方法运用到泡沫沥青混合料的生产质量管理过程中。结合施工规范对泡沫沥青混合料在拌合阶段、运输阶段、摊铺阶段、压实阶段的质量控制标准,提出了在整个施工过程的质量保证措施。通过试验工程实例进行验证,严格控制泡沫沥青性能及泡沫沥青混合料的关键控制指标,按PDCA循环方法在施工过程中开展全面质量管理活动,实施整个施工过程的全面监控,可以及时发现施工中存在的问题,循环总结、不断改进,能够有效地提高了泡沫沥青混合料质量的施工质量,推广应用该项技术必将取得了更好节能的效果。
[硕士论文] 申子瑶
应用化学 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:还原氧化石墨烯(RGO)有着特殊的物理及化学性质,是典型的导电型微波吸收材料之一。介电型半导体氧化物CeO2具有萤石型结构及独特的氧空位缺陷,CeO2和RGO的复合,能提高复合材料的微波吸收性能。Fe(Co/Ni/Zn)掺杂CeO2/RGO,可以调节复合材料的阻抗匹配,诱发CeO2晶体的晶格畸变,丰富结构中的氧空位浓度,增强极子极化。复合材料中各组分间协同作用,有效改善了复合材料的微波吸收性能。
  本工作是在课题组之前研究CeO2/RGO复合材料的基础上,通过一步水热法,根据投料比制备了系列Fe(Co/Ni/Zn)掺杂的CeO2/RGO复合材料,采用XRD、XPS、TEM、SEM对样品的结构、物质组成及形貌进行了表征分析,采用矢量网络分析仪表征了复合材料的电磁参数,根据传输线理论计算其在2-18GHz测量范围内的反射损耗。具体的结果如下:
  1、以改进的Hummers法制备氧化石墨,并将RGO作为基体、硝酸铈作为铈源,采用硝酸钴为掺杂剂制备Co掺杂的CeO2/RGO复合材料。讨论了投料比对复合材料结构、形貌及微波吸收性能的影响。实验结果说明:Co的掺杂没有改变CeO2的晶体结构,并带来氧空位缺陷,导致材料内部电子极化的增强。掺杂后的CeO2纳米粒子紧密分散在RGO表面,异质组分间的相互作用,提升了材料的界面极化,促进了其对微波的吸收。当复合材料中nCo∶nCe为1∶6(投料比)时,复合材料在6.4GHz处最大反射损耗值为-53.66dB,对应的匹配厚度为3.5mm;低于-10dB的最大吸收带宽为4GHz,匹配厚度为2mm。
  2、以RGO为基体,将硝酸铈作为铈源,采用硝酸镍为掺杂剂制备Ni掺杂的CeO2/RGO复合材料。考察了投料比对复合材料的结构、形貌及微波吸收性能的影响。结果说明:Ni的掺杂没有改变CeO2的晶体结构,且在低频段增加了材料的磁损耗机制,调节了复合材料的阻抗匹配。样品最大反射损耗峰的对应频率在测量范围内随着厚度的增加向低频率移动。当掺杂含量为nNi∶nCe=1∶4(投料比)时,镍掺杂CeO2/RGO纳米复合材料的在6.72GHz处最大反射损耗为-21.79dB,对应的匹配厚度为4mm。
  3、以RGO为基体,将硝酸铈作为铈源,采用硝酸铁(硝酸锌)为掺杂剂制备Fe(Zn)掺杂的CeO2/RGO复合材料。考察了投料比对复合材料的结构、形貌及微波吸收性能的影响。实验结果说明:Fe(Zn)的掺杂没有改变CeO2的特殊晶体结构,掺杂带来的晶格畸变会促进复合材料吸波性能的提升。对Fe掺杂的CeO2/RGO复合材料来说,随着投料比nFe∶nCe的增加,复合材料的趋肤深度会变大,导致材料的最大反射损耗值随着材料匹配厚度的增加而变大。当nFe∶nCe(投料比)=1∶4时,Fe掺杂CeO2/RGO复合材料的最大反射损耗值为-16.36dB,相应的频率和匹配厚度分别为2.64GHz和4.5mm。对Zn掺杂的CeO2/RGO复合材料来说,当nZn∶nCe(投料比)=1∶4时,复合材料在9.28GHz处最大反射损耗值-36.88dB,匹配厚度为3mm。且Zn掺杂的CeO2/RGO复合材料在厚度为2mm时,低于-10dB的最大吸收带宽为4.8GHz(12.8-18GHz),几乎覆盖了整个Ku波段。
[硕士论文] 许定
微生物学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:单质硒纳米颗粒(SeNPs)在医疗、环境修复以及材料科学中具有广泛应用。许多微生物可还原氧化态硒形成生物硒纳米颗粒(BioSeNPs)。与化学合成SeNPs相比,BioSeNPs更为廉价、环保、稳定和低毒。稳定性是限制纳米材料应用的重要因素,然而影响BioSeNPs形成和稳定的机制并不完全清楚,特别是胞内形成的BioSeNPs。本研究的主要目的是探究影响BioSeNPs形成和稳定的因素,以期指导人工合成稳定SeNPs并应用。
  细菌Comamonas testosteroni S44可还原亚硒酸盐并在胞内形成BioSeNPs。化学表征分析结果表明BioSeNPs在572nm处有最大吸收峰,粒径大小主要分布在100-300nm范围内,zeta电位值为-31.4±3mV。通过透射电镜(TEM)可观察到在BioSeNPs表面覆盖有一层厚厚的有机质。红外光谱(FT-IR)分析表明BioSeNPs表面有机层包含了蛋白质、糖类以及脂类等物质,定量检测结果显示,1g BioSeNPs表面结合了1069mg蛋白质、23mg糖类以及少量的脂类物质,表明蛋白质在BioSeNPs的形成和稳定过程中起着主要作用。SDS-PAGE和蛋白质组学结果显示超过800种蛋白质结合在BioSeNPs上,没有发现特定的装配蛋白对BioSeNPs进行组装。我们同时对BioSeNPs与胞内的高丰度蛋白进行了比较分析,发现主要是富含带电氨基酸残基(Asp、Glu、Arg和Lys)的蛋白质结合在BioSeNPs的表面,维持BioSeNPs的表面电荷,从而影响胞内BioSeNPs的形成与稳定。这项研究有利于我们在特定条件下,绿色可控合成稳定的SeNPs,并对硒纳米颗粒的表面修饰起到指导作用,以应用于医药、环境修复以及材料科学。
  另外,本研究还分离得到房间芽胞杆菌属(Domibacillus)的一株新菌XD80T。与菌株XD80T16S rRNA序列相似性最高的菌株依次为Domibacillus iocasae CCTCC AB2015183T(98.66%),D.robiginosus DSM25058T(97.83%),D.tundrae KCTC33549T(97.70%)和D.enclensis CCTCC AB2011121T(97.21%),这些菌与菌株XD80T的DNA-DNA杂交率依次为37.4%、53.8%、53.6%和52.7%,均低于70%。多相分类学结果表明菌株XD80T为革兰氏阳性菌、严格好氧、有荚膜、具运动性的杆状菌株。其生长温度范围是4-42℃(最适生长温度28℃),生长pH范围是6.0-10.0(最适pH7.0),NaCl耐受范围为0-6.5%(最适浓度2.5%)。主要极性脂为双磷脂酰甘油(DPG)、磷脂酰甘油(PG)、氨磷脂(APL)和四种未知的磷脂;主要脂肪酸(>5%)为iso-C15.0,anteiso-C15.0,wllc-C16.1,C16.0,iso-C17.0,anteiso-C17.0;MK-6为其主要呼吸醌。肽聚糖构型为A1γ型(A1γ-meso-DAP),肽尾具有内消旋二氨基庚二酸;全细胞糖主要为葡萄糖和核糖。DNA的G+C含量为46.4mol%。多相分类学结果表明菌株XD80T为房间芽胞杆菌属的一个新种,命名为山洞房间芽胞杆菌(Domibacillus antri)XD80T,菌株保藏编号为XD80T(=CCTCC AB2015053T=KCTC33636T)。本研究丰富并完善了房间芽胞杆菌属的分类,为将来该菌株的运用奠定了基础。
[硕士论文] 程婷婷
应用化学 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:本论文围绕发光金属-有机骨架材料(Luminescent metal-organic frameworks,LMOFs)这一研究热点,采用含氮-羧酸类配体与过渡或稀土金属,在溶剂热条件下设计合成五种LMOFs,重点研究了这几种LMOFs识别硝基化合物和金属阳离子的荧光性质。根据pincer基金属配合物在催化领域应用广泛这一研究背景,设计合成了一例三齿钳形配体,首次用溶剂热法与过渡金属铜、镉合成了两种结构新颖的金属-有机骨架材料。主要工作内容如下:
  1.以1,3-二(3,5-羧苯基)咪唑盐为有机连接体,与稀土金属Eu3+和Tb3+配位合成了两种结构相似的发光配合物1和2,对这两配合物结构进行了系列表征,并对这两种稀土配合物进行了荧光传感研究,结果表明,配合物1在水相中能够对三价铁离子和2,4,6-三硝基苯酚有高灵敏性和选择性的检测。根据不同稀土离子具有不同的荧光性质这一特点,选取不同的镧系金属进行掺杂,合成具有相同结构不同金属中心的发光金属有机骨架材料。基于稳定性良好的配合物1对其中心金属进行替换,掺入等量的Tb3+离子,得到配合物3通过对荧光光谱的分析发现:配合物的特征峰由Eu3+向Tb3+转变。经过后续实验探究发现,配合物3对硝基化合物尤其是对2,4,6-三硝基甲苯具有灵敏性检测。
  2.以V型半刚性配体4,4'-二吡啶基二苯醚(BDPDE)为主体有机模块,辅以不同的酸为桥联配体,与具有d10结构的过渡金属镉,在溶剂热条件下合成两种不同构型的发光金属有机骨架材料:4和5,并对这两种配合物在荧光传感方面进行了研究。其中,配合物4在DMF溶液中具有良好的荧光性能,对有机溶剂和金属阳离子,特别是2,4,6-三硝基苯酚和三价铁离子,表现出高灵敏性的荧光识别功能。
  3.设计合成具有三齿的pincer型配体,对其进行相关表征,与过渡金属铜和镉,在溶剂热条件下合成了两种结构新颖的金属-有机骨架材料6和7,单晶X-衍射分析得到配合物6和7均为三维结构。
[博士论文] 陈超
材料科学与工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:多肽-聚合物缀合物是一类独一无二的功能体,其通过化学键的形式将合成高分子与生物活性多肽结合在一起,使功能体兼具聚合物的稳定性、溶解性与多肽分子的生物活性,作为化学与生物学交叉学科的热点研究领域,吸引了众多科研工作者的目光。新型多肽-聚合物缀合物的设计与合成对药物载体、纳米诊疗、组织工程等领域的发展具有广泛而长远的影响。
  近年来可逆加成-断裂链转移(RAFT)聚合方法的发展,极大的推动了复杂聚合物结构(如线型、支化型、星型)的构筑。星型聚合物是由三条或更多条线性聚合物连接到同一个中心核而构成的一类聚合物。由于其独特的拓扑学结构以及优异的物理化学性质,自出现以来一直受到科研工作者的广泛关注。
  本课题利用RAFT聚合方法将嵌段和星型聚合物与多肽结合在一起,制备了一系列功能性杂化材料。主要研究内容包括:
  1、首先利用多肽自动合成仪发展了一种简单制备基于RGD多肽的甲基丙烯酰胺单体(MARGD)的方法,单体纯度大于90%。随后通过RAFT聚合得到了分子量可控、窄分子量分布(D<1.25)的聚多肽PMARGD,准一级动力学曲线以及数均分子量对转化率曲线呈现良好的线性相关性。然后利用PMARGD、POEGMA两类大分子链转移剂分别制备了PMARGD-b-PNIPAM和POEGMA-b-PMARGD嵌段缀合物,凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得嵌段缀合物具有较窄的分子量分布。细胞毒性实验表明上述所得缀合物均具有良好的生物相容性。为了研究缀合物的细胞粘附性,将PMARGD通过化学键固定在载玻片上,然后在其上面培养L929细胞,通过与未修饰的载玻片对比发现,PMARGD修饰过的载玻片上明显的粘附的更多的细胞。这项研究开发了一种直接聚合法合成结构明确的多肽-聚合物缀合物的新方法。
  2、利用固相多肽合成方法合成了RGD多肽(GRGDS),然后在其末端接上链转移剂4-氰基-4-[[(十二烷硫基)硫酮甲基]硫基]戊酸(CDTPA),用三氟乙酸(TFA)切割液将RGD多肽基RAFT试剂从树脂上分离。通过用红外(FT-IR),质谱(MS),核磁(NMR)对其进行表征,结果证实了多肽基RAFT试剂的成功合成。RAFT聚合动力学研究表明,RGD基RAFT试剂对三种甲基丙烯酸酯类单体的聚合具有优异的控制效果。这项研究在提出了一种高效、普适合成结构明确的多肽-聚合物缀合物新方法的同时,还首次揭示了含氰基的RAFT试剂在TFA中的稳定性,为进一步理解RAFT聚合提供了重要参考。
  3、基于上一章节合成的RGD多肽基RAFT试剂,通过RAFT聚合合成了三种不同性质的线型聚合物:可阳离子化的聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(PDMAEMA),亲水性的聚甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯(POEGMA),疏水性的聚甲基丙烯酸正丁酯(PBMA)。然后利用可还原性的双(2-甲基丙烯)乙氧基二硫(DSDMA)为交联剂以及含罗丹明的单体,通过先臂后核法合成了荧光标记的多肽基杂臂星型聚合物。GPC结果表明所得星型聚合物具有较窄的分子量分布以及较高的产率。分别用谷胱甘肽(GSH)、二硫苏糖醇(DTT)和三丁基膦(TBP)为还原剂,研究了该杂臂聚合物的可降解性。用碘甲烷将杂臂星型聚合物质子化后进行了一系列细胞试验,细胞毒性实验表明该杂臂星型聚合物具有优异的生物相容性,而且细胞成像研究表明其可作为高效的功能性细胞着色剂。
  4、利用固相多肽合成方法设计合成了另一种细胞膜穿透肽(TP10)基功能性RAFT试剂,利用ESI-MS,NMR,圆二色谱(CD)对其结构进行了表征,然后采用OEGA和BA单体进行了动力学研究,反应符合活性自由基聚合的特点。采用RAFT聚合制备了罗丹明B分子标记的POEGA大分子链转移剂,再通过扩链得到了POEGA-b-PBA嵌段聚合物,利用DLS和TEM研究了该嵌段共聚物组装体的形貌,结果表明该嵌段聚合物在水中可以自组装形成“囊泡”与“蠕虫”状形貌。这类聚合物具有较低的细胞毒性,通过定量荧光强度来研究细胞对该聚合物的摄入量,结果表明与对照组相比,含TP10多肽的聚合物更容易进入细胞,摄入量随聚合物浓度增高而增大。
  5、以CDTPA为链转移剂合成了一系列线型与嵌段聚合物包括:POEGMA,PDMAEMA,PBA,POEGMA-b-PDMAEMA,以TP10基RAFT试剂为链转移剂合成了线型POEGA,以N,N-双(丙稀酰)胱胺(BAC)为交联剂将上述两种或三种线型聚合物交联制备星型聚合物,整个合成过程在高通量合成仪(Chemspeed)中进行,利用NMR,GPC对所得星型聚合物进行了表征,并对研究了该星型聚合物的可降解性以及生物相容性进行了研究。
[硕士论文] 杨凤新
化学工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:石墨烯因为优异的电学性能、力学性能,热学性能和光学性能被认为是最有前景的材料,然而,如此有前景的材料在工业化应用领域却受到成本,质量,宏量制备等诸多方面的的限制。
  针对上述问题,本文提出一种新的石墨烯宏量制备工艺,即球磨法宏量制备边缘羧基化石墨烯,在二氧化碳的气体氛围下,在球磨条件下宏量制备边缘羧基化石墨烯,然后通过热还原,得到高品质石墨烯。本工艺具有成本低,无污染,量产速度快等特点。针对本工艺,本文从设备选型到产物杂质的控制以及产品的工业化应用方面进行了详细的探究与论述,尤其重点考虑石墨烯在电热膜领域的应用,并将经济因素考虑在内,让此项目真正的可以进行科研成果转化。
  1、本工艺制备的石墨烯具有优异的导电性,电导率可以达到27.7S/cm,方阻小于10Ω/square。
  2、边缘羧基化石墨烯具有较好的层状结构,厚度达到3.885nm,二维尺度超过20微米。
  3、边缘羧基化石墨烯具有较大的比表面积,比表面积达到581m2/g,氧元素含量超过20%。
  4、边缘羧基化石墨烯具有良好的分散性,可以溶解于水,NMP,DMF等多数溶剂中,具有良好的应用前景。
[硕士论文] 马祥亮
化学工程与技术 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:由于具有较低的密度和丰富的储量等优点,金属镁得到了广泛的关注和研究。研究表明,金属镁可以通过与氢气发生化学反应生成镁基氢化物(MgH2)从而实现氢气的固态化储存,具有高效、安全和储存密度高等优点,被认为是未来理想的储氢材料之一。MgH2的理论储氢容量高达7.6wt%(质量分数),完全满足了大规模车载储氢的要求。但是对于块状MgH2材料,它缓慢的吸附/脱附动力学和较高的操作温度(接近573K/1bar H2)仍然是目前研究一个难题,这严重制约了它的广泛的应用。本文通过研究MgH2材料纳米化和过渡金属掺杂这两个方面来提高它的动力学和热力学性能。
  此外,镁作为最轻的结构金属之一,被广泛应用于汽车和航空航天工业。通常情况下,单金属镁的高温强度和抗腐蚀等性能相对较差,满足不了工业应用的需求。目前对金属镁的应用,基本都集中在它物化性质更好的合金。在这里,集中研究了镁铝合金纳米团簇,从纳米尺度上分析它们的结构和电子性质。此外,通过分析镁铝合金团簇对氧气分子的吸附作用从本质上来探究它对氧气的抗腐蚀性能。根据密度泛函理论,研究的主要内容和结果为:
  1、通过对不同尺寸镁纳米团簇的结构搜索,发现Mg55纳米团簇呈现正二十面体结构,具有高的对称性。结构分析发现,Mg55有四个不等效位原子,可以作为过渡金属Ti和Nb掺杂的位点。比较它们的结合能和形成能,发现掺杂后团簇的平均结合能和形成能更小,说明过渡金属的加入有利于提高结构的稳定性,尤其是掺杂能量更低在第二层位点。此外,与过渡金属Ti掺杂相比,金属Nb的掺杂在能量上具有更好的热力学优势,结构上相对更稳定。
  2、进一步研究了它们的电子性质,根据Bader电荷分析发现,过渡金属Ti和Nb的加入,能够显著改变它们的局部电荷分布,使得周围的镁原子贡献更多的电子给Ti和Nb原子。分析了不同掺杂位置的电荷分布,发现第二层和最外层的掺杂更有利于改变团簇表面的电荷分布和活化团簇的表面,有助于促进后来H2在团簇上的吸附和分解。
  3、研究氢气在所有团簇上的吸附过程,找出对应的最稳定吸附位,并进一步分析了氢气在团簇上的分解机理。当过渡金属Ti和Nb掺杂在中心和第二层时,氢气的平衡吸附距离明显大于3(A),甚至达到4.125(A)(Mg54Ti1)和4.126(A)(Mg54Nb2)。这说明H2在这些团簇上吸附是弱的物理吸附,需要更多的能量去完成氢气的吸附和分解。而当过渡金属掺杂在表面位置上时(Mg54TM3和Mg54TM4),H2很容易吸附在过渡金属的附近,并且H-H键长被明显的拉伸,从自由氢气键长(0.740(A))拉长到0.954(A)(Mg54Ti3)、0.814(A)(Mg54Ti4)、0.803(A)(Mg54Nb3)和0.902(A)(Mg54Nb4)。从吸附能上分析,得到的结果与上面的讨论一致。
  4、研究氢气在所有团簇上的分解过程,发现反应分解的H原子更喜欢吸附在团簇表面的桥位,而不是顶点位和空穴位。进一步比较它们的分解能垒,发现过渡金属的加入的确有利于降低H2的反应能垒,提高它的储氢的动力学过程。尤其是对表面掺杂的情况,对应的H2分解能垒分别为0.083eV(H2@Mg54Ti4)甚至为0eV(H2@Mg54Ti3,H2@Mg54Nb3和H2@Mg54Nb4),说明H2很容易在过渡金属Ti和Nb上分解并且是自发的过程。
  5、搜索并优化镁铝合金纳米团簇,分析它们的结构和能量特性。发现镁原子更喜欢占据团簇的表面,尤其是表面的顶点位(OV)。当镁与铝原子的比例接近1∶1时,团簇发生了严重变形,变得不规则;而当原子的比例较小时,团簇的结构能够保持一定对称性,没有发生巨大的形变。进一步发现,Mg12Al43和Mg12Al43-纳米团簇的结构高度对称,12个Mg原子将表面的12个OV位完全占据。根据过剩能计算结果,发现它们的能量值明显比其它比例的镁铝合金团簇要低得多,尤其是Mg12Al43-,它的过剩能低至-6.101eV,具有较高的热力学稳定性。
  6、进一步研究了镁铝合金的电子性质,发现当铝在合金中含量较高时,对应的HOMO-LUMO能隙值就较大。一般地,团簇的能隙值越大,它对氧气腐蚀的抗性就越大。对于合金纳米团簇Mg12Al43和Mg12Al43-,它们的能隙值明显比其它组成比例不同的合金要大。特别是对Mg12Al43-团簇,它的能隙值达到0.816eV,说明它对氧气氧化具有相对更高的抗性。
  7、研究O原子和O2分子在Al55,Mg55,Mg12Al43和Mg12Al43-团簇上的吸附,发现O原子能够稳定吸附在这四种团簇的H1位,表现出更高的吸附能值。相比于Al55和Mg55,O原子吸附在Mg12Al43和Mg12Al43-纳米团簇上的强度相对较弱,对应的能量值分别为-4.531eV和-4.526eV。同样地,O2在Mg12Al43和Mg12Al43-团簇上吸附也表现出一致的趋势,对应的吸附能分别为-1.959eV和-1.809eV,比吸附在纯的镁和铝团簇都要低。这些结论说明镁铝团簇合金化后对氧气腐蚀的抗性表现出一定的的优势。
[硕士论文] 宋怀铚
材料工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:石墨烯作为性能独特、应用广泛的二维材料,自从发现以来就广受关注,六方氮化硼是与石墨烯结构相似的类石墨烯材料,性能与石墨烯相近。石墨烯结构与六方氮化硼结构有较低的晶格失配比,这为二者的结合提供了可能。碳纳米管与氮化硼纳米管分别是由石墨烯和六方氮化硼卷曲形成的中空管,二者因具有优异的物理化学性能,早已成为科学研究的热点。
  本文基于密度泛函基础的紧束缚理论与分子动力学相结合方法,详细研究了碳纳米管与氮化硼纳米管的碰撞动力学过程,并利用第一性原理计算方法研究了碰撞后的结构稳定性和电学性能变化。具体的研究结果如下:
  1.本文充分考虑碳纳米管与氮化硼纳米管的空间结构后,采用了AA、h-AH、AH、AAH、AB五种同轴碰撞方式。结果表明,当初始原子能量小于0.4eV/atom时,两纳米管碰撞后弹开并朝相反方向运动;当初始原子能量等于0.4eV/atom时,两纳米管碰撞后形成结构完整的BCN纳米管;当初始原子能量大于0.4eV/atom时,两纳米管碰撞后形成更大直径的BCN纳米管,同时管体开始出现诸如5-7对缺陷、SW缺陷以及一些不规则形状缺陷,并且随着初始原子能量的增大,缺陷的数目也随之增多;当初始原子能量大于0.7eV/atom时,两纳米管碰撞后形成BCN纳米带,并随着初始原子能量的增大,碰撞后会形成类石墨烯纳米片以及原子和原子链结构。碰撞结果表明,初始原子能量对碰撞结果的影响较大,碰撞方式对碰撞结果影响较小。另外,通过碰撞观察发现,在初始原子能量较大的情况下,氮化硼纳米管在碰撞中会更容易遭到破坏,这主要是由于氮化硼纳米管的结合能低于碳纳米管造成的。
  2.研究发现,碰撞中产生的大量缺陷会对材料的结构和性能造成很大影响。在碰撞实验中,除了形成无规则的缺陷,还容易形成SW缺陷、4-8环等较规则的缺陷。在石墨烯与碳纳米管中容易形成五元环与七元环缺陷,在六方氮化硼与氮化硼纳米管容易形成四元环与八元环缺陷,这都是由于材料的性质所决定的。
  3.本文利用第一性原理计算方法对碰撞后材料电学性能进行探究,研究发现,无论是对于碳纳米管和氮化硼纳米管的管状结构,或是石墨烯与六方氮化硼的片状结构,均可以通过掺杂或者结合的方式来调节材料的电学性能,从而拓宽类石墨烯材料的应用范围。
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