一种有效的多室结构微胶囊制备方法: 多流体复合电喷技术

具有多室结构的微胶囊在智能药物输运、微反应器、复杂传感器等方面具有重要的应用前景. 提出了一种新颖的多流体复合电喷技术, 可一步实现多室结构微胶囊的制备. 该胶囊内部各室间有内壁相隔, 每一个内室可独立的封装不同组分, 各组分间互不接触. 将一定数目的较细的内管插于较粗的外管组装了具有分级结构的复合喷头, 这种独特的结构可以使电喷过程中壳材料形成对核材料的有效并且独立的包覆, 从而导致了多组分同时包覆的多室结构微胶囊的制备. 通过对复合喷头结构的设计可实现对腔室的数目以及相应的封装组分的数目的控制, 并且可方便地扩展到其他功能材料的制备. 该法制备的微胶囊不仅可以扩展单一胶囊的功能, 而且其独特的多室结构可对被封装的核材料进行保护, 尤其适用于活性材料如环境敏感性材料及反应性材料的同时包覆, 将在多组分药物输运、微反应器等领域具有潜在的应用前景.     

梯度结构多孔表面强化沸腾及其在相变器件中的应用

表面微/纳加工是强化沸腾传热的重要方法和研究热点.很多基于表面微/纳加工技术的梯度结构多孔表面也展现出了良好的强化沸腾能力,但不同的梯度结构多孔表面对沸腾传热的影响目前尚缺少系统性的研究.本文从几何尺寸梯度和润湿性梯度两个方面回顾了梯度结构多孔表面的沸腾强化进展以及对应的相变器件研究.几何尺寸梯度结构表面可分为单层几何梯度结构多孔表面、多层几何梯度结构多孔表面、覆盖微/纳米层的梯度结构多孔表面以及径向梯度孔径多孔表面.除几何尺寸上的梯度结构对强化沸腾有明显效果,润湿性梯度的改变也被证明可以大大提高沸腾换热效果.由于梯度结构多孔表面优异的沸腾传热性能,其在相变器件(如环路热管、平板热管等)方面得到了广泛应用,并有效提升了器件的传热性能.本文总结了部分梯度结构多孔表面在强化沸腾传热及提高相变器件性能方面的共同点,为后续的进一步研究奠定了基础.但是梯度结构多孔表面还有进一步优化的空间,对梯度结构多孔表面的进一步研究将有助于得到更高效的沸腾换热表面和相变传热器件.     

磁性相变微胶囊的制备与表征

以石蜡为芯材, 脲醛树脂(UF)为囊材, 纳米铁粒子为磁性材料, 用原位聚合法制备了磁性相变微胶囊. 采用差示扫描量热仪(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)、振动样品磁强计(VSM)和电感耦合等离子直读光谱仪(ICP)对产品的热性能、表面形态、磁性能以及微胶囊中纳米铁粒子含量进行了表征和测量, 研究了纳米铁粒子的加入对微胶囊的表面形态的影响. DSC测试结果显示石蜡微胶囊化后并不影响其相变点, 保持了石蜡原有的储热特性. VSM和ICP测试表明磁性相变微胶囊的比饱和磁化强度和剩余比磁化强度等磁性参数随纳米铁粒子含量的增加而增大.     

相变蓄能建筑围护结构热性能研究进展

改进建筑围护结构热性能是建筑节能的重要途径. 相变蓄能建筑围护结构对于有效利用可再生能源, 降低建筑运行能耗, 节省运行费用, 提高建筑热舒适度, 减小环境污染和温室气体排放具有重要意义. 介绍了理想节能建筑围护结构概念, 以此指导建筑围护结构材料遴选和热性能设计; 对国内外相变建材和相变蓄能围护结构的研究进展进行了综述, 并指出了需要解决的问题.     

金属泡沫复合微肋微通道热沉的流动传热特性分析

构建了一种金属泡沫和固体微肋相结合的复合微肋微通道热沉(combined fin heat sink, CFHS),采用扩展型达西模型和局部非热平衡传热模型数值研究了复合微肋微通道热沉的流动与传热特性,结合热阻网络分析了复合微肋结构的传热规律,并对复合微肋热沉的综合换热能效进行了评价.结果表明,与传统固体微肋结构相比,复合微肋结构可显著提升微通道热沉的换热性能;金属泡沫厚度和孔隙率是影响换热性能的主要因素,存在最佳金属泡沫临界填充厚度以及最佳孔隙率参数设置.相对于传统固体微肋热沉,本文研究的复合微肋热沉热阻降低了约56%,综合换热能效提升了约1.32倍,金属泡沫最佳孔隙率及临界无量纲厚度分别为0.9和0.3.本文相关研究成果可为开发高效的电子设备冷却装置提供理论指导.     

碳纳米管在热管理材料中的应用

碳纳米管由于具有优异的导热、导电和机械性能,为开发多功能导热材料提供了技术支持.本文综述了近年来碳纳米管在热管理材料领域的研究现状,探讨了碳纳米管在改性导热填料、各向异性碳纳米管薄膜导热膜材料以及复合热界面材料的研究与应用现状,并提出高密度、高取向碳纳米管薄膜及大管径碳纳米管阵列复合薄膜材料有望成为解决未来高频、高速器件、柔性器件等散热问题的优良材料体系之一.     

基于自组装胶体晶体构筑有序微结构

有关胶体晶体自组装以及以胶体晶体为模板制备有序图案化微结构方面的研究, 由于方法简便、结构多样、重复性好等优点, 近年来受到越来越多的关注. 本文系统总结了我们在胶体微球和胶体晶体领域开展的研究工作, 主要包括: 无机或聚合物胶体微球的设计制备、纳米复合及功能化; 结合聚合物材料可溶涨、可拉伸、热形变等特性构筑图案化胶体晶体、非球形对称胶体晶体、非紧密堆积胶体晶体等特殊结构; 以胶体晶体为模板制备三维大孔骨架、纳米环、纳米碗阵列等有序微结构等.     

加热器顶置间接加热GeTe相变的四端口高速射频开关

针对传统加热器中置间接加热相变开关的固有切换速度缓慢难题,本文提出一种加热器顶置的射频开关新结构,即加热器顶置的间接加热相变材料四端口开关(four-port indirect heating phase change switch with a top microheater, FIPCS-T),通过热传导过程自上而下的定向性,建立了更加有效的焦耳热能量利用方法.新结构中不同射频参数的仿真表明, FIPCS-T结构对升温过程和淬火过程均能有效缩短相变材料达到临界温度的时间,升温过程比淬火过程的缩短更加显著.相比于传统中置间接加热相变开关, FIPCS-T的升温-淬火环节时间缩短20%以上,这不仅显著提高了切换速度,同时还降低了相变材料的重结晶风险,结合相变材料本身具有的高频低损耗特征及其器件结构设计的灵活性,从而可在微波、毫米波、太赫兹等超大范围频段内提供反射小、插损低和端口隔离度高的高速射频开关.尽管人们对GeTe相变材料在信息存储等方面的应用开展了多年研究,但其特殊相变特征能否解决未来射频开关面临的高性能需求,仍然存在诸多挑战.本文研究结果表明, GeTe热相变机理与PIN二极管...     

多孔介质的相变和热化学储热性能

探讨了利用多孔材料增加相变和热化学储热功率的可行性,研究了金属泡沫和膨胀石墨添加在储热材料中对储放热过程的影响.低温相变材料采用的是石蜡,高温相变材料采用的是硝酸钠,热化学储热工质对采用的是镁/氢化镁.实验研究了两种相变材料在开孔金属泡沫中的储放热过程.对膨胀石墨质量分数分别为3%,6%和9%的石蜡/膨胀石墨复合相变材料也进行了研究,并与采用金属泡沫的复合相变材料进行了对比.结果表明,金属泡沫具有更好的传热能力,主要因其具有膨胀石墨所不具备的内部连通结构.但是,金属泡沫会抑制液态区的自然对流,特别是对于低黏性的相变材料,因此导致了在固态区、固液共存区和液态区具有不同的传热特性,表明金属泡沫并不是在每个区域都能增强换热.数值研究了热化学储热材料在加入金属泡沫前后的放热过程.在热化学储热中加入金属泡沫,可使反应床平均温度下降,明显提高放热功率.同时,由于放热反应存在最佳反应温度,在一定氢气压力和壁温条件下,通过加入不同孔隙率的金属泡沫对放热功率进行研究,表明反应床加入的金属泡沫存在最佳孔隙率,使得床层整体温度更接近最佳反应温度,实现放热功率最大化.     

基于单层胶体晶体的功能性二维有序阵列研究进展

二维有序微纳米结构阵列往往呈现出有序图案化结构所带来的新颖或增强的性质,由胶体球自组装而成的单层胶体晶体已被广泛应用于二维有序微纳米结构阵列的可控制备.这种方法具有简单、高效、适用范围广等诸多优点,因而愈来愈受到人们的关注.本文简要综述了近年来基于单层胶体晶体的功能性二维有序阵列的研究进展,主要包括二维光子晶体传感器、等离激元纳米阵列、太阳能转换器件、光学与光电器件、表面浸润与黏附以及生物医学材料等方面的最新成果.其中着重介绍了本课题组在Zn S纳米碗阵列、异质结构Ag_2S-Ag纳米碗阵列、异质结构TiO_2纳米棒@纳米碗阵列以及方解石单晶微透镜阵列等方面所取得的一些研究进展.     

潜热型功能热流体层流强化传热分析新模型

建立了分析潜热型功能热流体的层流强化传热的新模型. 该模型的主要特征是: (1) 应用新推导的潜热型功能热流体定压比热公式; (2) 考虑了真实的相变传热过程, 即, 相变微胶囊与单相工作流体间换热, 壁面与两相混合流体间换热; (3) 用新建立的轴对称双倒易边界元和有限差分联合的数值方法求解该数理方程. 新模型的可靠性用已有实验结果进行了验证. 得到了一些新的物理结果, 如定压比热在空间与时间随相变传热过程变化的特征, 捕获了相变界面随时间推进图像, 等等, 还数值分析了影响潜热型功能热流体强化传热的几个主要物理因数, 对该功能流体强化传热机理获得了一些新认识.     

建筑相变蓄热及夜间通风技术研究进展

被动式建筑节能策略通过提升建筑物自身性能及充分利用自然能源来营造舒适的室内热环境,是实现建筑可持续发展的有力途径.相变蓄热技术及夜间通风技术是被动式建筑节能的有效措施,两者有机结合的复合降温技术更能显著改善夏季建筑物室内热环境,降低空调制冷能耗.该技术在利用相变蓄热大幅提升建筑物热稳定性的同时,充分利用了夜间通风携带的自然冷量资源,达到了节能和舒适性并举.通过对相变蓄热、夜间通风以及其二者复合降温技术主要研究领域文献的深入调研,从技术原理、实验研究、节能降温效果等方面对该技术的研究现状进行了分析,综述了相变蓄热及夜间通风技术的研究进展.分析表明,合理应用相变蓄热结合夜间通风复合降温技术可以获得舒适的夏季室内热环境,有效节约空调制冷能耗.通过综合分析该复合降温技术各构成要素之间的相互影响关系,指出该技术应用方式多样,需要综合考虑到气候条件、相变蓄热使用方式以及夜间通风策略等诸多因素.最后,对该技术的复合降温机理及热工设计策略的进一步研究做出了展望.     

介电/半导体复合薄膜生长控制

当前, 电子信息系统为了实现体积更小、速度更快和功耗更低, 正快速向微小型化以及单片集成方向发展, 其中的各种有源器件(主要为半导体材料支撑)和无源器件(主要为功能材料支撑)的集成尤为重要和迫切. 因此, 将具有电、磁、声、光、热等功能特性的介质材料(以极化为特征)与具有电子输运特性的半导体材料, 通过固态薄膜的形式生长在一起, 形成介电/半导体复合人工新材料, 这种复合薄膜将具有多功能一体化和介电-半导体异质层间电磁性能的调制耦合两大特点, 这些特征既为实现信息的探测、处理、传输、执行和存储等5种主要功能单元的单片集成提供了可能,又将长期以来人们追求单一材料的物理极限的研究转移到追求异质结构的复合效应中来, 这为研制更高性能的电子器件提出了新的思路. 结合当前国内外在介电和半导体复合薄膜生长的研究进展情况, 介绍和讨论了我们近期在氧化物介电材料与半导体GaN复合薄膜生长与界面控制方面的一些研究结果.     

最小热阻原理在组合式相变材料蓄热过程优化中的应用

最小热阻原理为近年来火积理论中所提出的传热过程优化的新方法.本文基于最小热阻原理对组合式相变材料蓄热过程进行了优化.通过变分原理,获得了组合式相变材料最佳融化温度的通用表达式.在此基础上,进一步研究了相变材料数对火积耗散热阻和蓄热性能的影响,探讨了最小热阻原理用于组合式相变材料蓄热过程优化的可行性.定义了组合效率,考察了传热单元数和热容流率对火积耗散热阻的影响.结果表明,组合效率随相变材料数的增加逐渐提高,火积耗散热阻随传热单元数和热容流率的增加逐渐降低其提高与降低的幅度均逐渐减弱,该研究为组合式相变材料的遴选以及流动和结构参数的设计提供了理论指导.此外,基于最小热阻原理的优化分析,提出了相变蓄热过程的温差场均匀性原则,为组合式相变材料的优化提供了一种新的优化标准.     

基于碳纳米管阵列/无机物片层交替结构具有能量吸收特性的杂化复合材料

将二维的层状纳米结构与有一维的碳纳米管阵列组合,形成多级有序的三维纳米结构材料,可获得许多奇特的材料性能.所以,如能大规模地在纳米尺度上实现材料的规整组装将会极大地提高材料的性能,拓展纳米材料的应用.众所周知,如果高分子插层到无机片层材料中,就会显著提高复合物的强度.但是这种填充进去的高分子的有序度往往难以控制.如果能够在二维片     

多壳层Cr2O3空心球用作高性能锂离子电池负极材料

采用硬模板方法,以碳微球为模板,通过调控铬盐前驱体在模板上的吸附时间以及碳球模板的尺寸,来控制铬金属前驱体在碳球模板上的吸附量及嵌入深度,煅烧制备得到单、双、三、四以及五壳层Cr_2O_3空心球.合成的多壳层Cr_2O_3空心球尺寸均匀、纯度高、结晶性好.将Cr_2O_3多壳层空心球用作锂离子电池负极材料,相对于Cr_2O_3纳米颗粒其电池性能取得了显著的提升,具体表现在比容量更高,循环稳定性更好,且大电流放电能力更出色.其优异的性能主要得益于多壳层空心结构较大的比表面积、较短的离子/电子传输距离,且其内部空腔能起到缓冲由于锂离子反复嵌入引起的结构应力以及电极体积膨胀的作用.值得注意的是,四壳层Cr_2O_3空心球由于具有最佳的空腔体积占有率,其锂电性能最为突出,在100次循环后,比容量仍然高达1031.2 mAh/g,是目前商业石墨负极材料的3倍,有望用作新一代高性能锂离子电池负极材料.     

表面主客体复合自组装纳米结构的STM 研究

基于自组装的基本原理, 以“自下而上”的方式在表面构筑主客体复合纳米结构是纳 米科学与技术研究的重要内容之一, 并在单分子科学和纳米电子学等领域具有重要意义. 扫描隧道显微镜(STM)以其原位、实时、实空间和原子级分辨的优点, 在主客体复合体系 表面自组装的研究中发挥了不可替代的作用. 在表面组装中, 主客体分子之间有多种不同 的复合模式, 最常见的是客体分子填充于由主体分子构成的含有空腔的二维骨架结构, 空 腔的大小和对称性由主体分子的结构调节, 客体分子通过尺寸匹配等效应填充; 客体分子 能够沿着主体分子形成的单层结构外延生长, 在主体分子层上面形成第二层客体结构; 此 外, 主体分子形成的组装结构能够根据客体分子的尺寸和形状做出相应的改变来适应不同 的客体分子, 进一步丰富了主客体复合结构的内涵. 本文以主客体分子之间的复合方式为 主线介绍固体表面构筑主客体复合纳米结构的最新进展.     

刺激响应性金属-多酚胶囊的可控组装及其在药物递送中的应用

微胶囊是一类由天然或合成壁材构筑的具有中空结构的微型容器.通过金属-多酚网络(metal-phenolic networks,MPN)自组装制备的功能微胶囊,因其具有pH响应性、荧光成像、正电子发射断层扫描成像等特性,在化学和生物医学等交叉研究领域引起了广泛关注.本研究以沸石咪唑酯骨架材料(zeolite imidazolate framework-8, ZIF-8)为模板,制备了pH响应性的MPN胶囊,并研究了其细胞毒性和细胞相互作用.通过改变ZIF-8模板的尺寸,可以在200 nm～1μm范围内调控MPN胶囊的大小;由于ZIF-8纳米颗粒可以利用乙二胺四乙酸(EDTA)溶解,因此,在MPN制备过程中可以在温和的条件下去除模板;调控单宁酸和Fe~(3+)浓度及反应时间来控制胶囊壁厚.该胶囊具有良好的pH响应性,并能有效封装和递送抗肿瘤药物阿霉素,在纳米药物领域具有潜在的应用价值.     

形状退磁因子对层状磁电复合材料的影响

传统层状磁电复合材料理论模型认为层状磁电复合材料的磁电性能只与压电和压磁原材料以及层厚比有关, 而与其面内尺寸(长度和宽度)无关. 研究了面内尺寸对层状磁电复合材料的磁电性能的影响. 结果表明, 层状磁电复合材料的磁电性能强烈依赖于其面内尺寸, 根本原因是由于尺寸的变化导致了形状退磁因子的变化, 从而引起磁电性能的变化. 从理论和实验上证明了随着面内尺寸的变化, 磁电性能将明显变化. 随着面内尺寸的增加, 层状磁电复合材料的磁电性能将逐渐增加. 这可为磁电器件的合理设计提供依据并推动磁电器件的发展.     

二维单层材料的结构搜索

石墨烯单层材料的出现引起了人们对于二维材料极大的研究兴趣.如何确定二维单层材料的稳定结构是一个基本的问题.近年来,基于势能面的全局结构搜索方法的发展为预测材料的稳定结构提供了一个十分有效的重要手段,在二维单层材料的结构搜索方面发现了许多新奇有趣的结构和性质,拓展人们对二维单层材料的认识.本文概述了近年来在二维单层材料全局结构搜索方面取得的一些研究进展,包括单质材料与二元化合物材料独特的结构与物性,以及它们潜在的应用前景.