基于树蛙脚掌的仿生六棱柱表面边界摩擦研究

湿润环境下软材料的摩擦受固液气多介质作用,一直都是摩擦理论的难点.师法自然,我们从自然界获取灵感,由树蛙脚掌能在湿环境中产生极强的摩擦力,来研究软材料在湿环境中的摩擦特性.本文表征了树蛙脚掌的结构和摩擦力,发现在边界摩擦状态下,界面间极薄的液膜有助于增大摩擦力.在树蛙脚掌湿摩擦力的启发下,设计制造出了一种仿生六棱柱增摩表面.通过对摩擦力表征发现,其边界摩擦能达到干摩擦的50倍.与光滑表面相比,仿生六棱柱表面能够产生稳定且持久的边界摩擦力,六棱柱表面亲水比疏水也有着更优异的边界摩擦性能.该研究结论有助于人们进一步认识软材料的湿摩擦机理,可以进一步帮助设计制造更强的湿吸附仿生表面.     

碳纳米管阵列及其增强高分子复合材料在真空和高温环境下的黏附性能

掌握空间环境下的干黏附技术将极大增强我国载人航天、在轨服务、对非合作目标的作业能力.空间环境众多复杂的影响因素对黏附材料在航天器件上的应用提出更加严格的性能要求.通过模拟空间环境中的两种影响因素:真空及高温,并对碳纳米管阵列(CNT)及其增强聚二甲基硅氧烷(PDMS/CNT)在此环境下的摩擦黏附-脱附规律、黏附强度进行研究和验证,为CNT作为空间用干黏附材料的进一步修饰和改性提供试验和理论依据.试验结果表明在真空环境下,CNT,PDMS/CNT的摩擦黏附-脱附规律与大气环境中保持一致,PDMS/CNT的摩擦黏附力有所提升,CNT的摩擦黏附力则不受影响,在真空环境下两种材料都具有良好的黏附可重复性.在热真空环境下CNT,PDMS/CNT都能维持在大气中法向和切向黏附强度.该研究表明在真空及热真空环境下,CNT及其增强高分子复合材料能够保持其原有的黏附规律及黏附强度,为CNT干黏附材料在空间环境下的应用奠定了试验基础.     

藏东南不同季节水体中氧同位素的高程递减变化研究

通过分季节研究藏东南地区水体中氧同位素(δ18O)的变化,揭示了δ18O随海拔变化的特征,进而分析了相关的大气环流过程.研究结果表明,藏东南河水的δ18O和降水中δ18O的变化趋势一致;同时也表明,藏东南河水中δ18O随海拔的升高而降低的特征在不同时期有差异.季风期河水的δ18O值最低,其随高程递减的速率也最小.西风期河水的δ18O值也较低,仅次于季风降水期,随海拔递减的速率也较小.季风前河水中的18O最富集,且与海拔的负相关线性关系相对最不显著;而季风后河水中δ18O值随海拔变化的递减速率最大.河水的δ18O值在不同季节与高程效应的符合程度不同,反映了不同的河水补给的影响.需要说明的是,虽然不同季节的采样数目并不相同,但各自的δ18O-H线性相关系数都达到了0.05的置信度.因此,不同季节的河水δ18O的高程效应代表了氧同位素在大气环流和地表过程作用下的变化特征.     

小麦产量形成对大气臭氧浓度升高响应的整合分析

应用整合分析(meta-analysis)方法定量研究了大气臭氧(O₃)浓度增加对小麦光合色素、气体交换和产量形成的影响. 通过Web of Sciences和中国期刊全文数据库检索, 共收集39篇原始论文. 结果表明, 大气臭氧浓度增加可导致小麦的产量在当前环境浓度的基础上降低26%, 籽粒重、穗粒数和穗数分别降低18%, 11%和5%, 收获指数减少11%. 叶片生理对大气臭氧浓度增加的响应比产量敏感得多, 如光饱和光合速率、气孔导度和叶绿素含量分别下降40%, 31%和46%. 春小麦和冬小麦对臭氧的响应相似. 大部分指标显示了小麦叶片生理和产量的降低随着臭氧浓度增加而线性增加的趋势. 在小麦灌浆期, 臭氧浓度增加引起叶片的光合速率、气孔导度和叶绿素含量降低得最大. 大气CO₂浓度升高可以明显减轻或抵消大气臭氧浓度增加引起的减产效应.     

通过树木年轮δ13C重建大气CO2浓度的可靠性探讨

为了探讨利用树木年轮碳同位素比及其模型重建历史大气CO2浓度的可靠性, 对南亚热带条件下生长的几个主要树种的一些相关生理指标进行了测定. 结果发现叶片光合速率A和气孔导度g的比值A/g和细胞间CO2浓度Ci随环境和树种特性有较大的变化, 与前人对幼苗控制实验所取得的关于这两个值不变的结论不同, 从而对以Ci恒定为前提通过树木年轮δ13C重建大气CO2浓度的可靠性提出了怀疑. 根据目前对Ci等值变化机理的认识水平和大气CO2浓度变化幅度, 通过树木年轮δ13C的分析难以精确地重建区域性大气CO2浓度的变化.     

酸性土壤环境中X70钢缝隙腐蚀行为的研究

采用矩形缝隙装置, 通过对X70/酸性土壤(鹰潭)浸出液体系进行阴极极化、通入CO₂和钢表面预腐蚀, 研究了X70钢在酸性土壤中的缝隙腐蚀行为. 实验测量了模拟剥离涂层下, X70钢在不同位置的电位、溶液pH及氧含量随时间的变化曲线. 结果表明, 酸性土壤环境中, 随着阴极极化程度增加, 缝内X70钢电位负移, 缝内外电位差加大, 缝内过剩的阴极电流导致H₂O还原使溶液pH升高. 缝内溶解氧耗尽与外加阴极电流没有关系. CO₂的存在抑制了缝隙内碱性溶液环境的形成, 导致近中性pH应力腐蚀产生的电位-pH环境. 钢表面的预腐蚀产物降低了缝内的极化速率.     

AFM/FFM 测量参考样品云母的规范实验

在原子力／摩擦力显微镜（ＡＦＭ／ＦＦＭ）实验中,通常只能得到摩擦力信号的相对值,为了比较各种样品表面的微观摩擦性能,常选用新鲜解理的云母作为摩擦力测量的参考样品。由于新鲜解理云母表面摩擦性能的不稳定性,使得不同条件下在云母表面上测得的摩擦力信号有较大的变化。为此,需要通过对云母表面摩擦性能的系统研究,建立一个以云母为ＡＦＭ／ＦＦＭ摩擦力测试参考样品实验规范。实验结果表明,云母样品的摩擦特性受其解理     

常见塑料薄膜制品在UV作用下的性能变化特征

塑料自问世以来给人类的日常生活带来极大改变和方便,但同时由于其难降解性而产生大量塑料垃圾.这些垃圾在光、物理、化学和生物等作用下发生破碎降解产生微塑料,成为环境中微塑料的一个重要来源.本研究选取生活中常见的食品包装袋、垃圾袋、厚塑料膜和快递包装袋等塑料薄膜制品开展UV光降解实验,通过拉伸性能检测,结合红外光谱和扫描电子显微镜手段,分析了它们在UV光降解过程中的性能变化特征.结果表明, 6种塑料膜的断裂伸长率均随光照时间增加而降低,杨氏模量一般随光照时间增加先升高后降低,而拉伸强度随光照时间增加呈先升高后降低或者持续降低的变化趋势,食品包装袋和可降解垃圾袋在光照强度为160 W/m2的UV光照射36 h后发生脆化无法进行拉伸性能测试,易于破碎为微塑料,而快递包装袋180 h后断裂伸长率仍达76%;光降解过程中聚乙烯发生氧化断链反应,分子结构发生变化,食品包装袋光降解的主要产物为醚类物质,厚塑料膜和快递包装袋的降解产物包含酮、酯或酸类物质和乙烯基等,但聚乙烯作为塑料的主要成分没有变化;光降解后塑料的表面和拉伸断裂截面均产生细小裂纹,发生脆化.研究结果可以为环境中大片塑料垃圾的行为过程、微塑料来源及环境风险评估等研究提供基础数据.     

高分子的单链折叠与宏观相变

利用超灵敏微量差示扫描量热仪(US-DSC), 研究了聚(N-异丙基丙烯酰胺) (PNIPAM)在稀溶液和亚浓溶液中的折叠与聚集. 随温度的升高, 在稀溶液中, PNIPAM链同时发生链内折叠与链间聚集, 而且链内折叠所占的比重随浓度的降低而变大. 在亚浓溶液中, PNIPAM链在低温下已经塌缩, 当温度升高时, PNIPAM链只发生有限的链间聚集. 在极稀溶液中, PNIPAM链随温度升高而发生单链折叠. 通过浓度和加热速率外推至 0, 得到了PNIPAM单链折叠的焓变, 该焓变高于链间聚集的焓变, 说明高分子单链折叠不同于宏观相变.     

二乙醚-空气预混火焰的不稳定性分析

利用高速纹影摄像法和球形发展火焰研究了不同初始压力和不同当量比下的二乙醚-空气预混合气层流火焰燃烧特性, 得到了层流燃烧速率、马克斯坦数、胞状结构出现的临界半径等燃烧参数, 分析了火焰前锋面的不稳定性. 研究结果表明: 无拉伸层流燃烧速率随初始压力增加而减小, 随当量比的增加而呈现出先增加后减少的趋势, 无拉伸层流燃烧速率的最大值出现在当量比为1.1处. 马克斯坦数随初始压力和当量比的增加而减小, 反映出初始压力和当量比降低了火焰前锋面的稳定性. 胞状结构出现的临界半径随初始压力的增加而减小.     

纳米颗粒表面活性剂对T型微通道中液滴分裂的影响

液滴分裂是微通道中获得单分散小尺寸液滴的重要方法,纳米颗粒表面活性剂能够包裹液滴,是制备功能胶囊的潜在技术手段,研究纳米颗粒表面活性剂作用下的液滴分裂行为对于获得尺寸更小、分散性更好的功能液滴具有重要意义.本文通过微流体可视化实验和理论分析方法,研究纳米颗粒表面活性剂对液滴分裂的影响规律.在纳米颗粒表面活性剂作用下,液滴分裂存在阻塞分裂、过渡态分裂、非阻塞分裂、不分裂4种状态;通过分析液滴颈部宽度随时间的变化关系,得出纳米颗粒表面活性剂对液滴分裂的影响机理,即通过降低界面张力影响挤压颈缩速率;通过分析基于液滴尺寸与毛细数的液滴分裂状态分布相图,建立了液滴阻塞分裂与非阻塞分裂的临界转化理论模型.     

北半球高空大气参数波动对临近空间飞行热环境的影响

真实的大气参数随时间和地理位置变化,而且有随机性的大气波动叠加,处于波动状态,造成高超飞行器大气层飞行面临的真实热环境,远比标准大气模型预测结果复杂得多.在70 km以上大气参数变化尤其复杂.本文利用美国TIMED卫星在2002~2010年8年间对北半球典型纬度地区上空85 km高度大气参数在典型月份期间内的实测统计结果,开展了大气参数分布特性对飞行器热环境具有代表性的驻点热流的影响研究.研究发现大气的波动对高超飞行的热环境有着重要和复杂的影响.同纬度地区4月或7月的热流会偏大,在同一季节,高纬度地区的热流分布往往会大于低纬度地区.在极端情况下,热流会比标准大气参数模型预测的热流高40%以上.     

短时间微重力池沸腾换热及其临界热流密度机理

研究了复合柱状微结构表面(PF30-60LP)在短时间微重力下的池沸腾传热性能,并与文献中的光滑表面和柱状微结构表面(PF30-60和PF50-120)进行对比.实验结果表明,微重力条件下, PF30-60PL的临界热流密度(critical heat flux, CHF)与光滑表面相比虽有提高,但却明显低于PF30-60和PF50-120,与常重力下所得实验结果存在明显差异.微重力条件下,由于浮力缺失,覆盖于加热表面的大气泡脱离周期远大于常重力条件.大气泡覆盖于表面时间过长,导致新鲜液体补给困难是造成微重力CHF显著降低的主要原因. PF30-60和PF50-120具备非常强的毛细芯吸作用,可显著提高加热面的侧向补液能力,因此其微重力下的CHF相比于光滑表面得到了十分显著的提高.而PF30-60PL由于较大面积光滑通道的存在,表面的毛细芯吸作用被削弱,因此其CHF介于光滑表面和柱状微结构表面之间.提高微重力池沸腾CHF,关键在于提高覆盖于加热面的大气泡的脱离频率和液体对加热表面的补给能力.可行的方法有降低液体工质表面张力或提高表面对液体的毛细芯吸性,通过外部施加电场或声场加速气泡脱离,强化Marangoni对流或采用局部加热法改变Marangoni力对气泡的作用力方向,通过调控气泡合并行为增大气泡合并后释放的表面能从而促进气泡脱离等.     

卫星资料揭示的春季黑潮海区海洋对大气的影响及其机制研究

采用最新的高分辨率卫星观测资料研究了春季西北太平洋黑潮海区海洋与大气之间的关系, 特别是海洋锋区上海气之间的关系. 资料分析表明, 黑潮海洋锋区上海温与海表面风速之间存在明显的正相关关系, 特别是当海洋锋区强并在其上产生明显的海洋波动时, 海温与海表面风速之间的正相关关系表现得更为显著. 这种海温与海表面风速之间的正相关关系与太平洋海盆尺度的海温与海表面风速之间的负相关关系正好相反, 清楚反映了春季黑潮海区海气之间表现为海洋对大气的作用. 随后, 采用一个高分辨率的区域大气模式进一步研究了海洋影响大气的可能机制. 数值模拟表明, 黑潮海区海洋锋区上海温变化可通过影响大气边界层稳定度以及边界层垂直混合来影响海表面的风速, 即海温升高时大气边界层稳定性减弱, 垂直混合增强, 从而把高层较大风速带至海表面, 海表面风速增强; 反之, 海温降低则大气边界层稳定性增强, 垂直混合受到抑制, 海表面风速减少.     

利用氢键构筑超分子纳米结构

合成了一个核中心含有6个氮的diquinoxalino(2,3-2′,3′-a,c)- phenazine(DQP)分子, 并在大气条件下用扫描隧道显微镜(STM)研究了它在高定向裂解石墨(HOPG)表面的吸附和组装行为. 利用1,14-十四二酸作为桥成功构筑了二维有序的超分子纳米结构. 结果表明, 利用分子与分子之间的氢键可以来构筑与调控超分子纳米结构.     

生长压力对GaN薄膜生长速率和结构特性的影响

研究了生长压力对金属有机物化学气相淀积技术在蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜的生长速率、表面形貌和结晶质量的影响. 研究结果表明, 随着反应室压力由2500 Pa增加到20000 Pa, GaN薄膜表面逐渐粗化, 生长速率逐渐下降. 粗糙的表面形貌与初始高温GaN成核岛的特征密切相关. 初始高温GaN生长阶段采用高压条件, 因低的吸附原子表面扩散率而容易形成低密度、大尺寸的GaN岛. 这些GaN岛推迟了二维生长过程的出现, 降低了薄膜的生长速率. 同时, 这些低密度、大尺寸的GaN岛在此后生长合并过程中产生较少的线位错, 从而降低了GaN薄膜X射线摇摆曲线的半高宽.     

粉砂对低Cr油管钢CO2腐蚀行为的影响

通过室内腐蚀实验研究了模拟油田采出水溶液中粉砂对1wt%Cr(1Cr)和3wt%Cr(3Cr)油管钢CO2腐蚀行为的影响,结果表明,在100℃,CO2分压为0.5MPa,流速为1.5m/s时,无砂环境条件下两种低Cr油管钢均表现为全面腐蚀,但是表面较粗糙;加入粉砂后,1Cr钢的平均腐蚀速率增加了3倍,且发生了严重的深坑腐蚀,3Cr钢的平均腐蚀速率增加了1.6倍,表面出现了针状蚀点.利用扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)、能谱分析(energy dispersive spectroscopy,EDS)、X-射线衍射(X-ray diffraction,XRD)和交流阻抗测试(electrical impedance spectroscopy,EIS)对两种环境条件下1Cr钢和3Cr钢的产物膜特性进行了测试和分析,结果表明,粉砂不会对CO2腐蚀产物膜造成切削破坏,而是夹杂在产物膜中,影响产物膜的致密性,不规则砂粒周围易形成离子扩散通道,使产物膜的保护性下降,腐蚀加剧.     

利用特殊脉冲电源电沉积制备CuInSe2薄膜

采用钟形波调制的方波脉冲电源以恒电流模式在导电玻璃基底(ITO)上电沉积制得了CuInSe2薄膜, 用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对在不同频率下制备的CuInSe₂薄膜的表面形貌、成分组成和组织结构进行了研究. 结果发现, 在合适频率下制得的薄膜表面平整, 颗粒均匀致密, 成分接近理想化学计量比, 具有单一的黄铜矿结构. 在氮气气氛下退火处理后, 薄膜结晶性能有较大提高. 同时, 通过薄膜截面分析发现, 在脉冲恒电流模式下沉积速率较快, 膜层与基底结合紧密, 对工业化生产具有重要意义.     

四探针扫描隧道显微镜

据国家自然科学基金委员会2006年8月18日报道，中科院物理所高鸿钧小组自行设计与研制了可原位生长、构造和研究介观体系的电、光、力学特性的分子束外延一四探针扫描隧道显微镜（MBE-4P—STM）联合系统，在国际上独具特色。该系统可在超高真空环境下制备与构造纳米体系，可用扫描隧道显微镜对其表面电子结构进行表征．用四探针方法研究电子输运性质，同时可研究纳米结构的光学特性，为系统地研究介观小尺度体系的物理、化学性质提供了强有力的工具，目前初步取得了一些有意义的研究结果。     

八面体钼酸镉纳米体系反应动力学及表面热力学性质的粒度效应

采用室温反相微乳液法制备不同粒度的八面体钼酸镉CdMoO4,利用微量热技术获取不同粒径产物与盐酸反应过程的原位热动力信息,结合热动力学理论、过渡态理论和热化学循环法,获得了不同粒径八面体钼酸镉CdMoO4的反应动力学参数及表面热力学函数,并讨论粒度、温度对其化学反应动力学和表面热力学性质的影响规律及其原因.结果表明,速率常数、比表面Gibbs自由能、比表面焓、比表面熵和比表面能随粒径减小而增大,表观活化能、活化Gibbs自由能、活化焓和活化熵则均随粒径减小而减小;且速率常数、活化Gibbs自由能、比表面焓和比表面熵均随温度升高而增大,比表面Gibbs自由能随温度变化则相反.在30~200nm范围存在临界尺寸使钼酸镉材料表面热容性质发生突变,表现为区别于传统储能材料的独特热容性质.