仿Morpho蝴蝶鳞翅微纳结构的光学特性研究

Morpho 蝴蝶鳞翅上的微纳结构对光产生干涉、衍射等效应, 形成典型的结构色现象. 本文针对仿 Morpho 蝴蝶鳞翅微纳结构进行二维建模, 结合严格耦合波理论进行光学特性仿真分析, 研究了模型结构参数、环境折射率等对光学特性的影响及反射光谱曲线的变化规律. 增大二维模型纵向周期高度, 反射光谱峰值反射率增加, 且峰值波长向较大方向偏移; 减小纵向周期数, 峰值显著下降, 波峰变宽, 峰值波长也向较大一侧偏移; 增大横向周期宽度, 峰值略有下降, 峰值波长也向波长较大一侧偏移, 但整体变化不大; 改变环境氛围, 即增大环境折射率, 峰值亦大幅下降, 峰值波长向波长较大一侧明显偏移. 上述结论揭示了Morpho 蝴蝶所特有的结构色本质, 对于具有环境气氛检测功能的仿生微纳结构的设计优化和制造、应用具有重要意义.     

带翠凤蝶翅面结构光变色机理的试验研究

动物体表彩色是在长期生物进化过程中为了逃避天敌、捕捉猎物或展示自身艳丽而自然形成的, 研究其结构光机理是仿生学的一个重要方面. 根据用酒精溶液填充到绿带翠凤蝶翅面蓝色鳞片区域的瞬时改变颜色成绿色, 最后又还原成蓝色这一现象, 应用体视显微镜、扫描电镜、透射电镜和紫外可见分光光度计, 通过分析翅面鳞片的微观结构和光学特性与变色效应关系, 发现中国东北地区的绿带翠凤蝶蓝色鳞片可以变色, 其原因在于可见光经过鳞片的凹坑状多层薄膜反射结构与填充介质时, 由于介质的折射率不同, 引起了一定波长的光波发生干涉, 形成相应波长的颜色, 这对于视频隐身材料的仿生设计具有重要的学术参考价值.     

鲨鱼皮复制工艺研究

对动物体表形貌进行直接复制以成形出形貌比较接近生物原型的仿生表面，是生物约束成形向动物形体扩展的新尝试．以鲨鱼皮为生物复制样本，以微压印和微塑铸为材料成形手段，对鲨鱼皮外端形貌进行了微复制．复制精度分析结果表明，生物约束成形工艺能以较高精度复制出鲨鱼微鳞片的外端形貌，证实了生物约束成形技术可以应用于表皮坚硬的动物体表形貌复制．     

基于波谱知识的CBERS-02卫星遥感图像棉花像元识别方法研究

从中国典型地物标准波谱数据库中收集到3年共16d的地面实验测量数据, 进行统计分析, 得到了棉花各生长期的主要结构参数的分布范围, 使用冠层反射率模型SAILH对棉花全生长期的波谱进行了模拟分析, 进而模拟得到不同日期棉花像元对应的CEBERS-02 CCD各波段的反射率. 并以新疆生产建设兵团农八师143团农场为实验区, 用马氏距离匹配和光谱角度匹配两种方法, 实现了CBERS-02 CCD图像棉花像元提取. 并在最后分析了辐射定标误差对棉花像元识别的影响. 结果表明, 基于CEBERS-02 CCD数据, 使用光谱角度匹配方法可以得到较好的棉花像元识别结果, 能够为以后的棉花长势监测提供有力支持.     

微生物细胞溶胶-凝胶法磁性化研究

以微生物细胞为模板可制备具有多样形状的磁性或导电微颗粒．本文探讨微生物细胞溶胶一凝胶法磁性化的可行性，以尺寸在微米级的具有天然螺旋形体的微生物材料螺旋藻的细胞为模板进行细胞溶胶．凝胶法包覆磁性材料铁氧体的工艺研究，并通过光学显微镜、扫描电镜、电子能谱、透射电镜、X射线衍射对其细胞形态、表层成分、相结构进行观察与分析．结果表明，螺旋藻细胞经溶胶．凝胶处理后表面能包覆上铁氧体材料；其天然螺旋形体可保持良好，得到的单体表面磁性层厚度、成分基本均匀，在文中试验条件下，细胞表层铁氧体为立方尖晶石结构的Fe3O4；还可观察到细胞内部有纳米颗粒产生，同时细胞间横壁也有沉积．还探讨了微生物细胞溶胶．凝胶法磁性化工艺过程的物理化学反应机理．     

太阳能热光伏系统性能分析研究

建立了太阳能热光伏系统（STPV）能量吸收及热辐射发电过程的数理模型，数值模拟了不同聚光器聚光比时辐射器的温度分布，研究了聚光比及辐射器温度对电池伏安输出特性及系统效率的影响．随着聚光比的增大，辐射器表面温度显著增高，电池的输出功率及系统效率也成直线增长；分析了影响系统效率的关键参数如滤波器、电池温度和辐射器上下端部材料表面反射率对系统性能与输出电功率的影响．计算结果证明了STPV系统的可行性，形成了高效STPV系统的优化设计方法．     

液滴冲击自由液面的SPH法数值模拟

液滴冲击液面是一个在自然界及工业生产中极其普遍的现象，同时又是一个极其复杂的强非线性瞬态冲击与自由表面流动问题．本文在二维黏性不可压缩N-S方程的基础上，采用光滑粒子流体动力学方法对液滴（水珠）以一定的初速度冲击盛水容器内液面问题进行了数值模拟研究．研究过程中通过搜索自由表面粒子，在表面粒子之间，考虑了表面张力的作用；运用人工黏性解决了初始冲击效应；同时引入边壁虚粒子和镜像虚粒子处理边界条件，很好地解决了粒子法的边界缺陷问题，并消除了容器角落处实粒子的不稳定现象．计算结果得到了粒子分布图、流场图，压强图及不同粒子位移和速度变化曲线，通过将模拟结果与实验照片进行比较说明了模拟的有效性，最后还定性比较了分别采用Level—Set法、BEM法及SPH法时的液面波动曲线变化情况．研究结果表明：液滴冲击液面时会出现液体飞溅、不连续液面以及自由液面大幅晃荡等强非线性现象；冲击过程中液体粒子运动呈现震荡特性；SPH法对处理自由表面大变形问题具有一定的优势．     

水平梯度表面能材料表面上的液滴运动

通过化学气相沉积的方法（CVD），利用十二烷基三氯硅烷（C12H25Cl3Si）在硅基板表面上的自扩散方式，形成单分子自聚合薄膜，在硅基板上制取了梯度表面能表面．采用原子力显微镜对梯度表面能材料表面微观结构进行了测量．通过躺滴法，获得了梯度表面能材料水平表面上的微量液滴接触角的分布，并以此表征材料表面能的分布．使用高速摄像仪对液滴在水平放置的梯度表面能材料表面上的运动规律进行了测量．实验表明：水平放置的梯度表面能材料表面可驱使液滴从憎水侧向亲水侧迁移，单个液滴的运动速度最大可达40mm／s,液滴在梯度表面能材料表面的运动一般可分为加速运动区和减速运动区；当液滴峰值速度较小而减速运动较大时，液滴运动会呈现蠕动的现象．     

无机薄膜光栅的制备及其衍射特性研究

有效地结合激光干涉法和化学刻蚀法，提出一种制备高密度、高衍射效率无机光栅的新方法．采用溶胶．凝胶法和化学修饰法合成具有紫外感光性的含锆溶胶，并在（100）硅基板上制备含锆感光性凝胶薄膜．利用该薄膜，结合激光干涉技术和热处理工艺制备出周期为1μm的无机ZrO2薄膜光栅．为了提高光栅的深宽比，采用碘饱和的KOH各向异性刻蚀剂对无机光栅进行湿法化学刻蚀，从而有效地提高了光栅的衍射效率．对刻蚀后的光栅进行表面镀金处理，提高光栅的表面光洁度和反射率使得光栅的衍射效率得到进一步的提高．     

填料粒径对各向同性导电胶渗滤阈值的影响

采用反向微乳液法，通过调节微乳液体系中表面活性剂十六烷基三甲基溴化氨（CTAB）的浓度，制备了粒径范围在10～200nm的Ag纳米粒子．XRD和TEM对不同粒径的纳米粒子进行表征．以这些不同粒径的Ag纳米粒子作为各向同性导电胶的导电填料，发现对于不同粒径的Ag粒子填料，导电胶电阻率的阈值填充量是不同的．当填料粒径为50nm时，导电胶出现的最小阈值填充量为63wt％，理论计算结果与这一实验结果符合得很好．     

一种菱形结构的二维耦合振荡器阵列及其在有源天线阵中的应用

传统的二维互注入锁相耦合振荡器阵列采用矩形栅格结构，可以实现无移相器的波束形成和扫描．矩形结构阵列相邻阵元相位差限制在[-90°，90°]内，当阵元间距为半波长时，其水平和俯仰波束扫描范围限制在偏离法线方向30°以内，论文提出了一种菱形结构的二维耦合振荡器阵列，给出了其相位控制方法，并对相位控制误差进行了分析，在对菱形结构的耦合振荡器阵列的稳定性进行分析后，给出了稳定条件，对阵列的稳定过程和相位控制方法进行了计算机仿真，对理论分析结果进行了验证．该菱形结构耦合振荡器阵列，在水平和俯仰方向上相邻阵元的相位差可达[-180°，180°]，具有比矩形栅格结构更宽的波束扫描范围。     

热汽泡驱动无阀微泵操作特性的数值模拟

本文使用CFD软件FLUENT，研究了一种新型电加热方法产生热力汽泡驱动的无阀微泵．得出了不同加热壁面过热度下泵流量和泵压与驱动频率的关系．无阀微泵200μm深，驱动腔为直径1mm的圆腔，一对最窄为30μm最宽为271μm、张角7°的微扩管被分别连接到驱动腔，工质为甲醇，采用层流模型．研究表明不同加热壁面过热度有不同的最大流量驱动频率，在过热度为△T=15℃时，最大体积流量为9．02μL／min，最大的泵压为680Pa．随着壁面过热度增加，包含汽泡生长和冷凝周期的时间会变长，导致泵送的流量受到显著影响；不同的壁面过热度有不同的最佳驱动频率，过热度增加，最大的泵送流量和压力会增加而且有相似的变化趋势，最佳驱动频率会降低；供液期较泵送期长．     

碱液刻蚀的多晶硅不同晶面微结构实验研究

多晶硅碱液刻蚀技术一直是多晶硅太阳能电池研究的关键性技术之一.在普通的碱刻蚀液中加入一种添加剂,在温度78~80°C之间刻蚀多晶硅表面20min,用SEM观察多晶体硅表面结构.在多晶硅表面上首次观察到了碱液刻蚀出的密集均匀分布的陷阱坑,只是样品不同晶面上的陷阱坑形貌稍有不同.[100]晶面上主要由纵横交错的致密的小硅山脉构成,小硅山脉之间存在长长的峡谷式的陷阱坑（沟）;[110]晶面上密布大量的畸变三角形陷阱坑或矩形坑（洞）;[111]晶面则分布蚯蚓状的陷阱坑.用积分反射仪测量了样品表面光反射率,在400~900nm波段平均反射率下降到20.5%.实验研究表明：添加剂能调节碱的刻蚀特性,经过添加剂调剂的碱液能在多晶硅表面刻蚀出具有良好陷光效应的绒面,添加剂调节的碱液刻蚀技术是一种有前途的多晶硅制绒技术.     

基于0．18μmCMOS工艺的功率放大器设计

本文在系统分析功率放大器的结构、设计原理、性能指标的基础上，根据功率放大器的应用背景，选择A类放大器进行设计。设计时综合多种因素，合理选用共源共栅结构和共源结构的三阶差分放大电路，进行增益和输出功率分配．然后应用ADS软件进行设计、优化和仿真.仿真结果表明，设计的功率放大器在其工作频率范围绝对稳定，实现了很好的输入输出匹配，具有较好的线性度和隔离度，最终的仿真结果满足802．11a标准。采用TSMC0．18μmCMOS工艺元件库，应用Cadence软件画出功率放大器电路的版图。     

水利水电工程施工水流控制过程的仿真与优化方法

针对水利水电工程施工水流控制过程中的工程技术问题及其仿真分析中存在的科学技术难题，通过分析施工导流系统动态、非线性的内外部结构，综合考虑主体建筑物、导流建筑物与水流控制三者间的复杂约束关系，建立复杂条件下施工导流系统的时空关系模型和施工导流过程的结构图仿真通用模型，提出了面向结构图的施工导流过程数值仿真方法和三维动态可视化仿真分析方法，并实现了集仿真建模、仿真计算和仿真可视化于一体的施工水流控制过程仿真与优化系统环境．工程实例应用表明，该方法建模过程便捷，仿真计算与数据可视化分析能有效地耦合，仿真与优化分析结果符合客观实际，为解决复杂条件下水利水电工程施工水流难以控制的问题提供了新的理论方法和技术手段．     

基于0．18μmCMOS工艺的混频器设计

本文选择Gilbert单元结构混频器设计电路，并进行噪声分析，引入改进的电流注入结构。应用ADS软件对此电路进行设计、优化与仿真，仿真结果表明：设计的混频器各项性能指标均达到设计要求。将设计仿真完毕的Gilbert单元结构混频器电路，采用TSMC0．18μmCMOS工艺元件库，应用Cadence软件画出电路的版图。该工作对射频集成电路设计有一定的参考价值。     

模块化多电平换流器谐波特性解析分析

模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）谐波特性的解析分析，对深入了解MMC的工作原理具有重要意义，同时对MMC主回路参数设计、降低损耗、提高电能质量具有实际应用价值．本文基于平均开关函数法和Fourier级数分析法，推导出了MMC各电气量谐波特性的解析表达式．在PSCAD／EMTDC中搭建了21电平仿真模型，通过仿真值与解析计算值的对比，验证了提出的解析计算表达式的准确性和有效性．     

微生物细胞热分解法磁性化研究

生物约束成型技术是把微生物学、材料学、制造学等有机紧密结合产生的一种制备具有多样形状磁性或导电微颗粒的新技术．本文探讨热分解法生物约束成形技术的可行性，以尺寸在微米级天然具有螺旋形体的螺旋藻的细胞为模板，根据五羰基铁受热分解的原理，研究在其表面包覆纯铁的工艺，并通过光学显微镜、扫描电镜、电子能谱、透射电镜、X射线衍射对颗粒形态、表层成分、相结构进行观察与分析．结果表明，在螺旋藻细胞经热分解五羰基铁包覆处理后，表面有一层铁颗粒沉积；其螺旋形体保持良好，得到的单体表面磁性层厚度、成分基本均匀；文中试验条件下，螺旋形羰基铁颗粒经700℃热处理后变为α-Fe；还探讨了微生物细胞热分解法金属化工艺过程的物理化学反应机理．     

基于光诱导介电泳的微纳米生物粒子操纵平台关键技术

在分析介电泳的微纳米生物粒子操纵研究现状和存在问题基础上，研究了基于光诱导介电泳的微纳米生物粒子操纵的理论基础和建模仿真，给出了光诱导介电泳芯片在空间电场分布和不同高度介电泳力分布关系．在此基础上进行微操纵系统的核心部件——光电导层芯片的选材、制作工艺和性能分析测试，给出了悬浮液层分压和有效电压频谱关系图．最后，组合机器视觉检测与实时跟踪子系统，构建了基于光诱导介电泳的微纳米生物粒子操纵实验平台，完成了对微纳米生物粒子快速聚集、输运、分离等操纵实验，为建立以微流控芯片为基础的重大疾病的快速、准确、低成本的检测和早期诊断提供了基础．     

蛇形机器人步态转换CPG控制器

蛇具有细长无肢的身体、独特的半球型关节，使其可在神经系统控制下完成与环境相适应的多种节律运动．基于对该节律运动机制的分析，给出蛇运动神经系统的主要功能特性．首次应用双向循环抑制CPG模拟蛇节律运动发生机制，控制蛇形机器人组合关节，实现3种典型运动．通过单向激励串联该类CPG构成神经网络，给出该神经网络产生振荡输出的必要条件．用不同高级控制神经元命令激活下的输出，实现蛇形机器人典型运动模式的自动转换．通过动力学仿真和实验验证该CPG控制器产生不同节律运动模式的有效性．为蛇节律运动模式发生机制建模提供新方法．