TiO_2掺杂粒度对纤维素强度和热稳定性影响的分子模拟研究

变压器绝缘纸的主要成分为纤维素,为了提升绝缘纸的强度和热稳定性,利用纳米TiO_2掺杂纤维素,通过分子模拟方法研究不同纳米TiO_2粒度掺杂纤维素的强度和热稳定性.研究表明,纳米TiO_2使得纤维素强度提高,拉伸模量增大,抗形变能力增强,体积模量与剪切模量比值(K/G)增大,纤维素韧性增强;纳米TiO_2表面羟基与纤维素形成新的氢键网络使得径向分布函数峰值增大,复合体系更加稳定,其热稳定性增强.掺杂比例相同时,随着纳米TiO_2粒度减小,拉伸模量和柯西压增大,泊松比减小,纤维素的抗形变能力增强;纳米TiO_2表面羟基占有率越高,纳米TiO_2与纤维素越易形成氢键抑制纤维素链运动,纳米TiO_2也减小复合体系的自由体积,使得复合体系结构更加稳定,热稳定性更强.因此,掺杂小纳米TiO_2粒度是提升纤维素强度和热稳定性有效的方法.     

功能化石墨烯改性聚乙烯热力学特性的分子动力学模拟

聚乙烯绝缘材料在我国高压电缆中有着广泛的应用.为了提高其耐热稳定性和力学性能,利用石墨烯对聚乙烯进行掺杂改性,并基于分子动力学模拟的研究方法分别建立了低密度聚乙烯(LDPE)、石墨烯和3种官能团接枝石墨烯掺杂聚乙烯的复合模型.研究表明,相比石墨烯直接掺杂聚乙烯,羧基(-COOH)、氨基(-NH)和羟基(-OH)接枝石墨烯能够更加有效地提高聚乙烯的玻璃化温度(分别提高了16 K、7 K、5 K),减弱聚乙烯分子链的移动和降低聚乙烯的热膨胀系数、均方位移(MSD),从而使得聚乙烯复合体系的热学性能得到了有效增强.此外发现石墨烯的掺杂能够提高复合模型的力学模量,其中官能团接枝石墨烯改进效果更明显,室温下弹性模量和剪切模量的提升幅度由不接枝的33.98%、36.18%,提升到了44%和42.89%(羧基功能化体系).研究结果可为聚乙烯绝缘材料的热老化抑制和力学性能的改善提供有益的参考.     

聚倍半硅氧烷以不同方式改性纤维素绝缘纸的机理研究

本文运用分子动力学方法,建立了纯纤维素模型和一系列聚倍半硅氧烷以不同方式改性的纤维素绝缘纸模型,并对其热力学性能进行了计算、对比和讨论. 实验结果表明,各聚倍半硅氧烷纤维素改性模型的性能均优于未改性模型,并且当两条纤维素分子链作为取代基通过化学键接枝在聚倍半硅氧烷分子上(M2模型)时,改性效果最佳,其内聚能密度与溶解度参数的值相较于未改性模型提高了9%,拉伸模量、体积模量、剪切模量、柯西压的值分别提升了38.6%、29.5%、41.1%和29.5%,此外本文还计算并分析了各模型的自由体积分数和均方位移,结果显示,相较于其他模型,M2模型中的化学键在避免使纤维损失强度的同时,增加了分子链间的纠缠,使纤维素分子链占据了更多自由体积,从而使体系具有更小的自由体积分数,抑制了纤维素的链运动,进而提升了纤维素绝缘纸的热稳定性,这从微观角度解释了化学处理影响改性效果的机理.     

聚倍半硅氧烷以不同方式改性纤维素绝缘纸的机理研究（英文）

本文运用分子动力学方法,建立了纯纤维素模型和一系列聚倍半硅氧烷以不同方式改性的纤维素绝缘纸模型,并对其热力学性能进行了计算、对比和讨论.实验结果表明,各聚倍半硅氧烷纤维素改性模型的性能均优于未改性模型,并且当两条纤维素分子链作为取代基通过化学键接枝在聚倍半硅氧烷分子上(M2模型)时,改性效果最佳,其内聚能密度与溶解度参数的值相较于未改性模型提高了9%,拉伸模量、体积模量、剪切模量、柯西压的值分别提升了38.6%、29.5%、41.1%和29.5%,此外本文还计算并分析了各模型的自由体积分数和均方位移,结果显示,相较于其他模型,M2模型中的化学键在避免使纤维损失强度的同时,增加了分子链间的纠缠,使纤维素分子链占据了更多自由体积,从而使体系具有更小的自由体积分数,抑制了纤维素的链运动,进而提升了纤维素绝缘纸的热稳定性,这从微观角度解释了化学处理影响改性效果的机理.     

功能化石墨烯改性聚乙烯热力学特性的分子动力学模拟

聚乙烯绝缘材料在我国高压电缆中有着广泛的应用,为了提高其耐热稳定性和力学性能,利用石墨烯对聚乙烯进行掺杂改性,并基于分子动力学模拟的研究方法分别建立了低密度聚乙烯（LDPE）、石墨烯和3种官能团接枝石墨烯掺杂聚乙烯的复合模型。研究表明,相比石墨烯直接掺杂聚乙烯,羧基（-COOH）、氨基(-NH2)和羟基(-OH)接枝石墨烯能够更加有效地提高聚乙烯的玻璃化温度（分别提高了16k、7k、5k）、减弱聚乙烯分子链的移动和降低聚乙烯的热膨胀系数、均方位移(MSD),从而使得聚乙烯复合体系的热学性能得到了有效增强;此外发现石墨烯的掺杂能够提高复合模型的力学模量,其中官能团接枝石墨烯改进效果更明显,室温下弹性模量和剪切模量的提升幅度由不接枝的33.98%、36.18%,提升到了44%和42.89%（羧基功能化体系）。研究结果可为聚乙烯绝缘材料的热老化抑制和力学性能的改善提供有益的参考。     

梯度封装胶结构设计提升白光LED光色性能

提出一种具有梯度双层掺杂纳米颗粒封装胶结构的白光LED模块,采用热溶液法在倒装芯片表面涂覆掺杂一定浓度TiO_2纳米颗粒的remote层和荧光胶薄膜层,制备成模块样品。利用仪器设备对样品的光色性能进行测试和机理分析。实验结果表明,在芯片和荧光胶薄膜间添加remote层,中心法线处的光提取率比未涂覆remote层增加了32.35%,拟合直线斜率趋向水平,光子空间分布均匀性改善明显。荧光胶薄膜掺杂SiO_2颗粒,随着SiO_2掺杂浓度增加,色温分布曲线逐渐平缓,平均色温由掺杂浓度为0%时的6199.66K下降到5103.24K,下降了21.48%。光通量测量值随着SiO_2掺杂浓度增加先提升后下降,掺杂浓度为0.6%时,达到最大值181mlm,相较于未掺杂SiO_2颗粒提高了9.70%。双层结构白光LED模块界面间通过梯度递减折射率的方式提高光子提取效率,空间颜色的一致性改善明显,为提高白光LED模块的品质提供一种借鉴。     

石墨烯与复合纳米结构SiO_2@Au对染料敏化太阳能电池性能的协同优化

染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cells, DSCs)因其制备工艺简单、成本低廉以及优异的光学性质在近年来引起了大家的广泛关注.为了获得更优的光电性能,利用球磨法制备了一系列不同含量纳米结构SiO_2@Au和固定含量石墨烯协同掺杂的复合光阳极薄膜,并制备了相应的DSCs.研究了纳米结构SiO_2@Au和石墨烯联合掺杂对光阳极及其相应DSCs光电转换性能的影响.金纳米颗粒因其局域表面等离子体共振效应能够有效提高DSCs的短路电流密度.而石墨烯作为典型的二维材料,具有较大的比表面积以及高导电性等优异性质,有利于增加薄膜的比表面积.当纳米结构SiO_2@Au和石墨烯协同掺杂至光阳极薄膜内部,且SiO_2@Au掺杂量为1.5%时,相应电池的短路电流密度为15.59 m A·cm–2,光电转换效率为6.68%,相比基于传统纯TiO_2光阳极电池的性能分别提高了15.67%和8.8%.研究表明,基于不同含量复合纳米结构SiO_2@Au和固定量石墨烯共掺的DSCs性能的提高,主要归因于复合纳米结构SiO_2@Au的掺入,其中分布较为均匀的金纳米颗粒作为光学天线可以将光局域到颗粒表面,增强表面电磁场强度,有效增强光与物质的相互作用,优化了染料的光吸收能力,增加薄膜内部光生载流子数量.而石墨烯的引入则改善了光阳极薄膜的比表面积,增加了薄膜整体对染料的吸附量,且石墨烯良好的导电性能加快了光生载流子的传输,两者协同作用实现了DSCs的光电转换性能的优化.     

碳黑掺杂SiO_2气凝胶热辐射特性的蒙特卡罗计算

高温环境下纳米隔热材料内热辐射的影响显著增强,遮光剂的掺杂将不可或缺。为了研究遮光剂掺杂对纳米隔热材料热辐射特性的影响,本文发展蒙特卡罗数值方法(MCM)与Mie散射理论对碳黑遮光剂颗粒掺杂的SiO_2气凝胶热辐射特性进行了理论研究。研究结果表明:优化参数后的碳黑颗粒掺杂气凝胶可以有效阻隔辐射传热,并且提高材料的隔热性能。该方法对纳米隔热材料遮光剂的选取和优化具有指导意义。     

基于VO2@SiO2核壳纳米粒子的热致变色薄膜

为解决VO_2热致变色薄膜可见光透射率低、耐候性差以及热分解法制备VO_2纳米颗粒易团聚等问题,提出了一种基于VO_2@SiO_2核壳纳米粒子的热致变色薄膜。首先利用VO(OH)_2表面负电荷和γ-氨丙基三乙氧基硅烷中氨基正电荷间的静电相互作用,在前驱体VO(OH)_2表面进行SiO_2包覆得到VO(OH)_2@SiO_2核壳纳米粒子,然后在Ar气氛下对其进行高温热处理得到VO_2@SiO_2核壳纳米粒子,将其分散至树脂中并涂覆在玻璃基材上得到热致变色薄膜,并对热致变色薄膜的热致变色性能及核壳粒子的耐候性进行了研究。从透射电镜照片可以看出SiO_2壳层可以阻止前驱体VO(OH)_2在热分解过程中的团聚长大,对光学性能的研究表明低折射率的SiO_2和空气能够提高热致变色薄膜的光学性能,并且当VO(OH)_2@SiO_2纳米粒子的质量分数为10wt%时复合薄膜的光学性能最佳。SiO_2壳层对VO_2的保护作用可以有效提高其抗氧化性,并且可以提升纳米颗粒在酸性环境下的耐腐蚀性,延长热致变色薄膜的使用寿命。     

稀土元素La掺杂对AlN性能影响的第一性原理研究

本文通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了稀土元素La掺杂对纤锌矿结构AlN力学性能及压电性能的影响.计算得到的AlN各项力学性能及压电性能与实验值较吻合.掺杂稀土元素La会降低其体模量、剪切模量与杨氏模量,但会使AlN由脆性材料转变为韧性材料.压电性能计算结果表明,掺杂稀土元素La后,可使体系的压电性能提升15%左右.电子结构分析结果表明La的引入会降低体系中化学键的作用强度,从而提升了体系的塑性及压电性能.     

Thermal and mechanical properties and micro-mechanism of SiO2/epoxy nanodielectrics

In addition to electrical insulation properties, the thermal properties of nanodielectrics, such as glass transition temperature, thermal expansion coefficients, thermal conductivity, and mechanical properties, including Young's modulus, bulk modulus, and shear modulus, are also very important. This paper describes the molecular dynamics simulations of epoxy resin doped with SiO₂ nanoparticles and with SiO₂ nanoparticles that have been surface grafted with hexamethyldisilazane (HMDS) at 10% and 20% grafting rates. The results show that surface grafting can improve certain thermal and mechanical properties of the system. Our analysis indicates that the improved thermal performance occurs because the formation of thermal chains becomes easier after the surface grafting treatment. The improved mechanical properties originate from two causes. First, doping with SiO₂ nanoparticles inhibits the degree of movement of molecular chains in the system. Second, the surface grafting treatment weakens the molecular repulsion between SiO₂ and epoxy resin, and the van der Waals excluded region becomes thinner. Thus, the compatibility between SiO₂ nanoparticles and polymers is improved by the grafting treatment. The analysis method and conclusions in this paper provide guidance and reference for the future studies of the thermal and mechanical properties of nanodielectrics.     

水的玻璃化转变的研究

本文用我们液态低频力学谱方法对玻璃化转变研究领域中一个持续半个多世纪、十分令人困扰的热点水的玻璃化转变问题进行了研究。用表征玻璃化转变最直接的参量力学模量，首次实现对水的玻璃化转变过程的明确表征，得出水的玻璃化转变温度是163K，而不是长期一直认为的136K。另外，水的玻璃化转变表现出不同于传统玻璃化转变的反常耗散行为。研究还表明，水的玻璃化转变温度表现出重要的同位素效应，这是水的玻璃化转变奇异特征的一个反映，也是在玻璃化转变研究中首次观测到同位素效应。     

纳米MgO掺杂聚乙烯微观特性的分子动力学模拟研究

电力系统高压电缆的主要绝缘材料为聚乙烯,为了提升聚乙烯的热稳定性以及减弱水分对其的渗透能力,采用纳米MgO掺杂聚乙烯,利用分子动力学模拟方法建立包含低密度聚乙烯(LDPE)、不同颗粒半径的MgO纳米团簇以及相同质量分数水分的复合模拟模型.研究结果表明,水分会降低复合体系的玻璃化温度,MgO的掺杂则会提高复合体系的玻璃化温度,减弱聚乙烯分子链的运动并减小复合体系的自由体积,使得复合体系结构更加稳定,从而增强了聚乙烯材料的热稳定性能.此外发现水分子的扩散随着温度的上升而增大,纳米MgO的添加会与水分子形成氢键抑制水分子的扩散,同时自由体积的缩减使水分子的溶解度系数与扩散系数都减小,导致水分子的渗透能力减弱,更难以渗透进聚乙烯材料破坏其结构.研究结果可为聚乙烯的水树枝生长以及老化过程的抑制提供有益的参考.     

Mechanical spectrum study of glass transition by a composite method

Normalized mechanical spectra of glycerol, 1,2-propanediol carbonate and poly(vinyl chloride)/di(2-ethyl-hexyl) phthalate (PVC/DOP) blends were studied in the temperature range from 100 to 300 K by a composite method. The dynamic glass transition was observed, which exhibits a peak of temperature-dependent loss modulus. The peak moves toward higher temperature with higher measuring frequency, which accords with the relaxation feature of the dynamic glass transition. Another characteristic temperature can be marked in the mechanical spectrum by the onset of storage modulus change, which is labeled as T_gm. T_gm is found to be nearly equal to the calorimetric glass transition temperature in glycerol, 1,2-propanediol carbonate and di(2-ethyl-hexyl) phthalate. As we expected, this onset temperature in the mechanical spectrum has an intimate relation with the calorimetric glass transition of materials, and it can be regarded as a representative when the calorimetric glass transition temperature is not available. Finally, normalized mechanical spectra of PVC/DOP blends with different PVC content were obtained and mechanical glass transition temperatures T_gm were determined.     

Mechanical properties of thin confined polymer films close to the glass transition in the linear regime of deformation: Theory and simulations

Over the past twenty years experiments performed on thin polymer films deposited on substrates have shown that the glass transition temperature T(g) can either decrease or increase depending on the strength of the interactions. Over the same period, experiments have also demonstrated that the dynamics in liquids close to the glass transition temperature is strongly heterogeneous, on the scale of a few nanometers. A model for the dynamics of non-polar polymers, based on percolation of slow subunits, has been proposed and developed over the past ten years. It proposes a unified mechanism regarding these two features. By extending this model, we have developed a 3D model, solved by numerical simulations, in order to describe and calculate the mechanical properties of polymers close to the glass transition in the linear regime of deformation, with a spatial resolution corresponding to the subunit size. We focus on the case of polymers confined between two substrates with non-negligible interactions between the polymer and the substrates, a situation which may be compared to filled elastomers. We calculate the evolution of the elastic modulus as a function of temperature, for different film thicknesses and polymer-substrate interactions. In particular, this allows to calculate the corresponding increase of glass transition temperature, up to 20 K in the considered situations. Moreover, between the bulk T(g) and T(g) + 50 K the modulus of the confined layers is found to decrease very slowly in some cases, with moduli more than ten times larger than that of the pure matrix at temperatures up to T(g) + 50 K. This is consistent with what is observed in reinforced elastomers. This slow decrease of the modulus is accompanied by huge fluctuations of the stress at the scale of a few tens of nanometers that may even be negative as compared to the solicitation, in a way that may be analogous to mechanical heterogeneities observed recently in molecular dynamics simulations. As a consequence, confinement may result not only in an increase of the glass transition temperature, but in a huge broadening of the glass transition.     

Glass transition in the polaron dynamics of colossal magnetoresistive manganites

Neutron scattering measurements on a bilayer manganite near optimal doping show that the short-range polaron correlations are completely dynamic at high T, but then freeze upon cooling to a temperature T(*) approximately equal 310 K. This glass transition suggests that the paramagnetic/insulating state arises from an inherent orbital frustration that inhibits the formation of a long-range orbital- and charge-ordered state. Upon further cooling into the ferromagnetic-metallic state (T(C) = 114 K), where the polarons melt, the diffuse scattering quickly develops into a propagating, transverse optic phonon.     

微通道板输入信号利用率提高研究

分析了微通道板输入信号损失的原因,提出了在微通道板输入端镀制绝缘层,从而提高微通道板输入信号利用率的方法,并进行了试验.试验结果表明:在微通道板输入端镀制一层15nm的绝缘层,可以提高微通道板输入信号的利用率,从而提高微通道板的增益.绝缘层的二次电子发射系数越高,微通道板输入信号的利用率越高,增益提高的比例越大.对SiO2膜层而言,可以提高12%左右;对Al2O3膜层而言,可以提高35%左右.在微通道板增益提高的同时,像增强器的分辨力和调制传递函数会降低,并且绝缘层的二次电子发射系数越高,分辨力和调制传递函数降低的比例越大.但微通道板分辨力和调制传递函数降低的比例远低于增益提高的比例.本文提出的提高微通道板输入信号利用率的方法具有一定的实用性,可以推广使用.     

Nb/A1-AlO_X/Nb隧道结的制备研究

通过改进RIE的刻蚀工艺和绝缘层的生长工艺,在SiO2/Si衬底上制备出了性能良好的超导Nb/A1-AlOX/Nb隧道结。采用CF4作为刻蚀气体,降低了RIE对结势垒层和衬底SiO2层的刻蚀。使用PECVD生长绝缘层SiO2,改善了绝缘性能,从而降低了隧道结的漏电流。