利用多尺度方法分析基于非局部效应纳米梁的非线性振动

分析基于非局部效应的两端铰支纳米材料梁的横向非线性自由振动. 考虑纳米梁的有限变形导致的几何非线性, 得到系统的运动微分方程. 应用多重尺度方法研究系统的非线性固有频率. 分析结果由数值数例验证, 并重点分析非线性项及非局部效应对固有频率的影响.     

基于光学衍射的纳米尺度深度重建

传统的离焦深度恢复方法（depth from defocus,DFD）在计算离焦图像的模糊程度时,均是基于几何光学成像原理,并没有考虑光波衍射对图像模糊的影响.然而,衍射现象是波的基本特性,以针孔成像为基础的光学成像系统中必然存在光波衍射.本文基于光学衍射和图像模糊机理,提出了一种精确的单目视觉全局景物3D深度信息获取方法.首先,详细分析了光学成像系统中的菲涅耳衍射机理,建立了衍射模糊与景物深度之间的关系曲线;然后,采用曲线拟合的方式建立了衍射模糊的模糊程度（点扩散函数扩散程度）与景物深度的数学关系模型,结合热辐射和图像相对模糊原理,构建了衍射模糊热辐射方程组,并把衍射模糊深度获取问题转换成一个深度信息动态优化问题.最后,使用标准的纳米栅格模板验证了衍射模糊深度重建算法在纳米尺度相对深度和绝对深度重建中的有效性和精确性.     

电力网的尺度问题——从纳米到太空尺度

探讨了电力网的尺度问题,阐述了国际微电网的发展态势,并基于纳米尺度发电机、太空尺度太阳能发电站以及黑洞发电机等电力获取途径,特别论述了两种超常规的电网:纳米尺度电网和太空尺度电网.进一步地,还应用复杂网络理论分析了纳米尺度电网和太空尺度电网的固有属性,为其未来的设计规划做了一定程度的铺垫.     

光伏电池微结构表面吸收率的温度依变性

光伏电池长时间处于太阳光照射下,自身温度随之升高,会造成电池材料的光学参数和热膨胀系数的变化,从而影响光伏电池微结构表面的吸收特性.本文从电磁场理论出发,借助时域有限差分方法(FDTD),通过对半球、圆柱、小球这三种典型光伏电池表面微结构的研究,分析温度对光伏电池表面吸收特性的影响,同时研究材料属性、结构周期对光伏电池表面吸收特性的影响.     

非光滑系统不同簇发模式之间的演化及其机理

非光滑和不同尺度耦合均具有非常广泛的工程背景,也是当前国内外研究中的热点课题.由于传统的非线性分析方法无法解决其中的诸如轨迹穿越分界面时的非光滑分岔和不同尺度之间相互作用等问题,非光滑系统中的不同尺度耦合效应一直是非线性动力学领域内的重要挑战之一.本文旨在探索由频域上不同尺度耦合导致的非光滑系统的复杂动力学特性及其演化过程,提出一般性的处理方法以揭示其复杂振荡的产生机制.以常见的直流功率变换器电路系统为例,通过引入周期变化的电流源,选择适当参数,建立了周期激励下分段光滑频域两尺度Filippov模型.指出当周期激励频率远小于系统的固有频率时,可以将整个周期激励项视为慢变参数,从而得到相应的广义自治系统.分析了两种典型参数条件下不同区域内相应子系统随慢变参数变化的平衡曲线及其分岔,进而探讨这两种情形下频域两尺度耦合系统的动力学特性,给出其相应的簇发振荡,得到不同簇发振荡之间的演化过程.通过转换相图,揭示了两种簇发振荡的产生机制,指出平衡曲线及其分岔不仅会影响簇发振荡吸引子的结构,也会改变其中的沉寂态或激发态的形式及其相互转化时的分岔机制,从而导致不同的簇发模式.同时发现,位于由非光滑分界面划分的不同区域中的稳定吸引子直接影响到簇发振荡吸引子的结构,如当多条稳定平衡曲线参与簇发时,其几何结构通常表现点-点型振荡,而随着参数的变化,不同区域中存在的稳定极限环又会导致激发态定性改变,产生点-环型簇发.     

形状记忆聚合物微纳米纤维膜在生物医学中的应用进展

形状记忆聚合物作为一种新兴的智能材料能够记忆暂时形状,并在外界激励条件下实现主动回复到初始形状的驱动过程.基于静电纺丝技术获得的形状记忆聚合物微纳米纤维膜与天然细胞外基质具有相似的三维结构,因此在生物医学领域,特别是组织工程中显示出巨大的应用前景.形状记忆微纳米纤维膜作为智能可变形材料为生物医疗的快速发展带来个性化、智能化的机遇.本文综述了形状记忆聚合物微纳米纤维膜的制备技术、结构形貌及驱动方法,总结了形状记忆聚合物微纳米纤维膜在骨组织支架、骨组织修复、神经支架及细胞培养等方面的应用研究,分析了形状记忆聚合物材料的其他结构在生物医疗领域的应用现状,进一步阐述了形状记忆聚合物材料未来面临的挑战及发展方向.     

层状二硫化钼纳米薄膜的制备及其光学特性

通过化学气相沉积法(CVD),以三氧化钼(MoO_3)粉末和硫(S)粉末作为反应物,将二硫化钼(MoS_2)纳米薄膜直接沉积到石英衬底上.通过光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对薄膜的表面形貌进行了观察.发现所生长的MoS_2薄膜为纳米层状结构.通过拉曼光谱和光致发光光谱对生长的薄膜进行结构及光学性能分析.结果表明生长的纳米薄膜中有单层、双层和三层MoS_2薄膜的存在,同时在单层、双层和三层MoS_2薄膜中观察到了光致发光现象.并分析解释了MoS_2纳米薄膜从体材料向单层转变时能带结构的变化.     

基于PTST方法构造高阶平衡的正交多尺度函数

提出了仿酉两尺度相似变换（PTST）的概念. 讨论了PTST的性质, 并证明了PTST能保持所给的正交多尺度函数的正交性、逼近阶和光滑性. 更重要的是, 基于PTST, 提出一种构造高阶平衡多尺度函数的方法, 即平衡已存在的正交非平衡多尺度函数. 给出相应的PTST变换矩阵的显示构造. 另外, 也讨论了平衡多尺度函数的对称性. 最后给出若干构造算例.     

超晶格纳米线热传导的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学方法模拟了超晶格纳米线的几何形变与热传导性能. 模拟结果显示, 由于界面晶格不匹配, 在超晶格纳米线内部发生了明显的几何形变. 对于周期长度固定的超晶格纳米线, 界面热阻在总热阻中的比例及导热系数不随周期数改变而改变. 随着周期长度的增大, 超晶格纳米线的几何形变量逐渐减小, 导致平均界面热阻逐渐增大, 表明界面热阻不仅取决于界面层的材料特性, 同时也与超晶格结构的几何形变量相关, 在声阻不匹配模型中应考虑纳米尺度下材料晶格结构的变化. 仿真结果还证实了尺度效应对低维结构热传导性能的影响, 即随着超晶格纳米线横截面面积的增大, 导热系数将增大.     

用于TEM原位拉伸实验的集成单晶硅纳米梁MEMS测试芯片研究

透射电镜内的原位拉伸测试是研究纳米尺度的单晶硅材料的力学性质的一种很有发展前景的研究方法．开展了集成单晶硅纳米梁的微电子机械系统测试芯片的设计、制作，并完成了原位拉伸的测试实验．集成的微电子机械系统芯片由基于静电梳齿结构的驱动器、测力悬梁、单晶硅纳米梁及电子束透射窗等结构构成．利用SOI硅片和普通硅片采用体硅微加工工艺及硅键合工艺加工完成了芯片制造．通过透射电镜样品杆上的电极与微电子机械系统芯片导通，实现了对静电梳齿结构的驱动，完成了与其相连的单晶硅纳米梁的拉伸观测．对此微电子机械系统芯片的测试实验结果表明，随着驱动电压的增加，单晶硅纳米梁逐渐被拉动，原位拉伸实验得到了该纳米梁的应力．应变关系，对实验结果拟合后得到杨氏模量值为161GPa，在误差范围内与体硅一致．     

考虑尺度效应的微平板声振耦合特性研究

长宽厚均处于微米级的微平板结构广泛存在于微机电系统(MEMS)中,开展其声振耦合特性研究对于MEMS在声激励下的稳定性研究以及微型声传感器的性能研究具有重要意义.针对声压激励下的四边简支微平板结构,基于Cosserat理论与Hamilton变分原理建立了考虑尺度效应的结构声振耦合理论模型,并结合流固耦合条件求解了声振耦合系统控制方程.基于理论模型开展数值计算,系统研究了尺度效应对微平板结构声振耦合性能的影响,具体讨论了不同尺度效应下板厚度、板长宽等关键系统参数对微平板声振耦合特性的影响,为MEMS中微平板结构的工程优化设计提供了理论参考.     

石墨烯气凝胶全柔性触觉传感器的设计、组装及性能

针对柔性触觉传感器存在的设计难度大、抗干扰性差、不易封装以及线路布置困难等问题,基于Storakers材料模型的应变能密度函数发展了一种基于石墨烯气凝胶(graphene aerogel, GA)的具有“气泡膜”结构的全柔性触觉传感器的设计方法.通过模拟分析发现,相对于“三明治”结构,“气泡膜”结构的GA柔性触觉传感器具有更好的抗干扰性.在此基础上,设计并组装了“气泡膜”结构的GA全柔性触觉传感器,通过实验证实该GA全柔性触觉传感器具有优异的传感特性、力学特性和抗干扰特性.同时,设计开发了压阻式传感阵列的信号采集系统,并成功实现了其对力的大小、物体位置和形状等信息的实时采集和传感监测.     

非球面纳米精度可控柔体制造技术

非球面被广泛应用于光学系统,其可被用来整形像差,改善画质,同时使光学系统更为紧凑,要求其具有纳米级面形精度与低吸收光学性质.目前超精密制造过程中,以恒定的去除函数解算面形误差,而光学表面误差分布复杂,针对不同频段与高度误差需迭代多次.针对这一问题,本研究团队提出了可控柔体制造技术,即去除函数随不同误差分布可控改变.本团队基于该理念,将传统连续出射的离子束可控离散,实现脉冲离子束超高分辨修形,并用于表面原子结构的光学性质调控,同时对于中频误差,以去除函数主动可控旋转的方式实现亚纳米级中频抑制技术,最后以大口径单晶硅为例,使用子孔径拼接技术完成了大口径非球柱面反射镜测量,实现了非球面镜的纳米精度可控柔体制造.本文结合本研究团队近几年的最新研究成果,总结了非球面可控柔体制造技术,通过探讨其发展现状,为非球面镜的纳米制造技术的发展提供参考.     

稀土纳米晶合成研究：从溶液化学到晶体生长

稀土化合物纳米晶体由于其独特的4f电子结构，具有优异的光学、磁学、催化等性质．随着纳米晶体液相合成方法的逐渐完善与成熟，稀土化合物纳米晶体的溶液合成方法在近年来也得到了长足的发展．本文首先概述稀土化合物纳米晶体的研究背景，并从晶体生长的角度总结了目前较为成熟的纳米晶体溶液相合成的模型与理论，进而从合成化学的角度阐述了近年来在稀土化合物纳米晶体油相合成中，尺寸、形貌、相态控制等方面的主要进展，并对稀土纳米晶体合成中的一些共性问题进行了比较与归纳，提出了今后可能的研究发展方向．     

页岩气藏多重介质流体跨尺度传质表征方法研究

页岩气藏多尺度孔隙介质发育、非均质性强,不同尺度介质流体运移机制复杂,明确多重介质流体跨尺度传质表征方法的适用范围对开展页岩气藏数值模拟研究具有重要意义.本文基于体积压裂改造页岩气藏储层多尺度介质分布特征及多尺度介质气体运移特性,以储层不同区域微小单元体为研究对象,分别建立离散介质、拟稳态窜流双重介质、瞬态窜流双重介质表征单元体模型,对比分析不同储层条件和裂缝参数时离散介质模型与不同窜流模式双重介质表征单元体模型内流体产量变化规律,得到页岩气藏多重介质流体跨尺度传质表征方法适用范围.研究结果表明:生产早期不同窜流模式对窜流量影响较大,多重介质渗透率相差越大,生产早期不同窜流模式得到的窜流量相差越大,窜流量差异持续时间越长;采用瞬态窜流或拟稳态窜流双重介质模型可以较为准确地描述干酪根有机质-无机基岩之间流体跨尺度传质规律;无机基岩-次生缝网流体跨尺度运移规律需要采用离散介质模型进行描述.离散缝网耦合干酪根-无机基岩双重介质模型可以比较精确描述体积改造页岩气藏流体运移规律,该模型对开展页岩气藏数值模拟器研究具有重要的理论意义.     

基于纳米粒子的超声速流动成像

由于超声速流动受到可压缩性、激波、不稳定性以及湍流等因素的影响, 现有流动显示与成像技术在流场结构的高时空分辨率和高信噪比测量中存在一定的问题. 为此, 本文提出了基于纳米粒子的平面激光散射技术（NPLS）, 该技术以纳米粒子作为示踪粒子, 以脉冲平面激光作为光源, 通过CCD记录流场中的粒子图像实现超声速流动的高分辨率成像. 根据多相流体动力学理论和斜激波校准实验研究了纳米粒子在超声速流动中的跟随性问题. 根据光散射理论深入分析了影响纳米粒子散射光强的各种因素. 理论和实验研究结果表明, 纳米粒子的动力学行为和光散射特性大大提高了NPLS技术的时空分辨率和信噪比, 能够再现激波、膨胀波、马赫盘、边界层、滑移线和混合层共存的精细流场结构.     

啁啾飞秒激光脉冲在ZK7玻璃中成丝传输的物理特性

采用具有不同初始负啁啾量的飞秒激光脉冲, 研究了其在ZK7玻璃中非线性成丝传输的物理特性. 实验表明激光成丝的阈值功率随着脉冲初始啁啾量的增大而升高, 但啁啾导致的光学细丝长度将逐渐变长. 通过光丝超连续谱的测量与分析, 发现了啁啾激光成丝过程中等离子体的非线性作用随着初始啁啾量的增大而减弱, 并在较长空间距离内形成了非电离特性占主导的光学成丝的新现象. 另外, 实验观察到了啁啾脉冲激光成丝过程中的多光丝干涉图像, 理论分析和讨论了非电离光学成丝的物理机制. 这些研究结果表明初始啁啾量对于超短激光脉冲成丝过程将起到至关重要的作用.     

碳酸盐岩油藏酸化施工最优注入条件影响因素分析

碳酸盐岩油藏酸化效果取决于酸蚀岩石生成的溶蚀模式,对于给定的油藏及选定的注入酸来说,溶蚀模式与酸注入地层的速度有关.在最优注入条件下,酸溶蚀岩石形成一些窄且长的蚓孔,这些蚓孔可以穿过井筒周围的污染带,大大地改善甚至是提高近井地带的渗透率.由于技术条件限制,最优注入条件只能通过岩芯尺度的实验或数值模拟得到,而将岩芯尺度的最优注入条件应用到油藏酸化施工中时,需要明确岩芯形状、尺寸比例等参数的影响.本文基于梯形流动单元,使用非结构网格对求解区域进行离散、有限体积方法对控制方程进行离散,数值求解碳酸盐岩酸化反应流模型.定义形状因子和比例因子分别表示岩芯的形状变化和尺寸比例,并研究其对酸化溶蚀模式、最优注入条件等参数的影响.结果表明:以流量表示注入条件时,岩芯形状对最优注入条件没有影响;以最优注入流量将酸液注入不同形状的岩芯得到的蚓孔结构具有相同的分形维数,说明岩芯形状对溶蚀模式没有影响;当比例因子小于1时,最优注入流量随比例因子的增加而增加,当比例因子大于1时,最优注入流量保持不变;径向流对应的比例因子处于最优注入流量保持不变的范围,因此,酸化施工优化设计时的岩芯实验,只需将酸线性地注入岩芯,而不需进行难度更大、成本更高的径向流酸化实验,但实验用到的岩芯截面直径应大于其长度,且将岩芯实验的结果应用于油藏酸化施工时,应使用流量表示最优注入条件.     

阳极氧化制备新颖的TiO_2多孔纳米结构膜及其形成机理与应用

采用两步阳极氧化法在钛箔片上制备了TiO_2多孔薄膜,随着阳极氧化的进行,Ti片表面依次出现上下双层纳米多孔结构、内外双层(芯壳)纳米管阵列结构和单层纳米管阵列结构等典型形貌,结合不同时间段的阳极氧化膜的表面形貌、晶体结构、X射线光电子能谱、电流密度随时间变化曲线等,分析了随着氧化进行钛片表面多孔TiO_2纳米膜典型形貌可能的形成机理.上下双层结构纳米多孔膜可能是因为纳米孔孔径强烈依赖于电流密度,而起始阶段的电流密度大小指数下降导致出现上层大孔下层小孔的双层结构;内外双层结构纳米多孔膜的形态可能来自于氧化钛纳米多孔膜从内至外由成分和可溶性不同的氧化钛构成导致;随着氧化进行,内层可溶性大的氧化钛结构逐渐溶解,形成的常见的TiO_2纳米管阵列结构.将阳极氧化得到的稳定的TiO_2纳米管薄膜作为光阳极组装成染料敏化太阳能电池,研究了其光电性能.基于未经修饰处理的TiO_2纳米管阵列光阳极,其组装电池的能量转换效率(η)可达5.88%,将TiO_2纳米管阵列光阳极进一步采用常用的TiCl_4溶胶处理后,其效率提高到8.47%,在能源转化方面展现了较好的应用前景.     

主轴电流信号中铣削力成分的时频分析及提取方法研究

通过电流信号间接监测切削力波动的方法在刀具状态检测中得到了广泛的应用. 但由于实测电流信号具有时变非平稳特性, 使得从电流信号中提取有用力信号表征成分存在一定的困难. 本文针对电流信号的非平稳时变特性, 基于切削力信号的频域分析, 应用小波分析方法来重构电流信号中的切削力表征信号量. 切削力测量试验结果表明文中所提出的重构方法能成功地应用于主轴电流信号, 完成加工切削力波动的监测.