胶体离子超容电池体系中的尺度与反应

寻求兼具高能量密度和高功率密度的储能器件是电化学储能领域一直以来的发展目标,也是应对全球能源危机发展可再生能源的有效举措.胶体离子超容电池体系基于电极材料水平上的创新,将电池的高能量密度和超级电容器的高功率密度及长循环寿命集结于一体,是极具发展前景的一种新型储能体系.胶体离子超容电池体系的优异电化学性能源于其活性物质的多尺度与反应特性,这要求从微观上的化学尺度到宏观上的器件系统尺度对整个电化学单元实现多尺度调控以及复杂的原位耦合反应设计.在前期工作的基础上,从尺度和反应两个重要方面重新审视胶体离子超容电池体系产生优异电化学性能的本质.     

金属有机框架材料在毛细管电色谱中的应用

金属有机框架材料(MOFs)是一类由金属离子或金属簇与有机官能团通过配位键形成的新型有机-无机杂化晶态多孔材料, 具有比表面积大、热稳定性和化学稳定性高、结构及功能多样等特点, 是毛细管电色谱(CEC)领域研究较多且具有优异应用前景的一类新型纳米材料固定相.综述了近年来MOFs在CEC中的研究进展, 主要包括新型制柱技术的发展及其在分离领域的应用, 并对该领域今后的发展方向进行了展望.     

具有核壳结构的ZnO纳米棒@Ni-Co双氢氧化物复合物纳米片阵列的制备及其电化学性能

通过两步水热合成法制备了具有核壳结构的ZnO纳米棒@Ni-Co双氢氧化物复合材料纳米片阵列.首先,以碳布为基底,水热法生成的ZnO沉积在碳布上形成ZnO纳米棒花簇.其次,以ZnO纳米棒为模板,水热法生成的Ni-Co双氢氧化物纳米片沉积在ZnO纳米棒表面,形成ZnO纳米棒@Ni-Co双氢氧化物纳米片复合材料阵列.形貌、结构分析和电化学性能测试表明,以碳布为基底,成功地合成了以ZnO纳米棒为模板并具有核壳结构的ZnO纳米棒@Ni-Co双氢氧化物复合材料纳米片阵列,该复合材料纳米片阵列具有较大的纵横比,且分散均匀.合成的ZnO纳米棒@Ni-Co双氢氧化物复合材料纳米片阵列具有良好的电化学性能,当电流密度为1 A/g时,其比电容值可达531.6 F/g,该复合材料在超级电容器电极材料领域具有良好的应用前景.     

分析测试新成果(160~168)金属吸附剂用于去除血清蛋白及核苷检测

利用多糖与金属离子复合制备了一种高效的蛋白质吸附剂.海藻酸钠和羧甲基纤维素钠是两种富含羟基和羧基的多糖, 具有较强的金属亲和性.将其用钙离子交联后制备成金属-多糖复合材料, 进一步修饰铜离子, 得到蛋白质吸附剂.吸附剂对富含组氨酸的牛血红蛋白的吸附量可以达到33 g/g, 对少量组氨酸的牛血清白蛋白的吸附量也可以达到9.8 g/g.蛋白质吸附剂对人血血清进行两次吸附后, 可以去除其中98%的蛋白, 能够满足人血血清中核苷类物质的直接色谱进样检测.     

Winkler地基上裂纹Timoshenko梁的弯曲解析解

将梁中裂纹等效为无质量线性扭转弹簧,研究了温克勒(Winkler)基础上具有任意开裂纹数目Timoshenko梁的弯曲变形．利用Delta广义函数和Heaviside函数以及Laplace变换,给出了Winkler基础上具有任意裂纹数目Timoshenko梁弯曲变形的解析通解．在此基础上,研究了Winkler基础上受均布荷载作用简支裂纹Timoshenko梁的弯曲变形,数值分析了裂纹数目和位置以及深度、梁剪切刚度和基础反力系数等对裂纹Timoshenko梁弯曲变形的影响．结果表明：在裂纹处,梁挠度存在尖点,转角存在跳跃;梁挠度随着裂纹深度和数目的增加而增加,但横截面弯矩和转角减小;随着基础反力系数的增加,梁挠度、弯矩和转角减小;随着剪切刚度的增加,梁挠度减少,弯矩和转角增大．     

Hermite梯度重构核近似配点法及其在功能梯度材料板的静力分析中的应用

由于直接配点法在求解边值问题时边界上的求解精度较低,本文提出了Hermite梯度重构核近似配点法（HGCM）来改进边界求解精度。重构核近似是无网格法中一种常用的近似函数,但是其在求解高阶导数时格式复杂且非常耗时。HGCM采用梯度重构核近似构建形函数的任意高阶导数,提高了计算效率;通过Hermite配点法构建离散方程,提高了边界求解精度。这种方法在求解对应变系数四阶偏微分方程的功能梯度材料板的静力问题时精度高,计算效率高,并可进一步推广应用于高阶偏微分方程描述的边值问题。     

准脆性材料抗压强度能量平衡尺寸效应模型

针对现有尺寸效应模型难以体现准脆性材料完整的抗压强度尺寸效应变化规律及其内在机理, 本文通过分析准脆性材料单轴压缩破坏过程中能量输入、储存、整体和局部能量耗散, 建立体现整体和局部损伤的力学模型及描述上述能量演化过程的双线性名义和真实应力应变曲线, 在此基础上确定了名义应力最大时输入能量、储存弹性能、整体和局部能量耗散的表达式, 最后基于能量平衡原理建立抗压强度尺寸效应模型. 抗压强度能量平衡尺寸效应模型能完整体现名义抗压强度尺寸效应, 即随试样尺寸增大, 名义抗压强度在试样尺寸小于等于局部损伤区尺寸时为真实强度, 然后逐渐减小, 最终当试样尺寸趋于无穷大时趋于弹性极限强度; 抗压强度能量平衡尺寸效应模型也能同时体现高径比和试样直径对名义强度的影响, 其包含的参数具有明确的物理意义, 可以反映真实强度、弹性极限强度、名义损伤模量非线性、局部损伤区大小和方向对准脆性材料名义抗压强度尺寸效应的影响; 通过把抗压强度能量平衡尺寸效应模型和现有尺寸效应模型应用于预测各种材料尺寸效应试验和数值模拟数据, 结果表明: 抗压强度能量平衡尺寸效应模型能很好描述试验和数值模拟尺寸效应的非线性变化规律及内在机理, 和现有尺寸效应模型相比, 其总体平均误差最小, 且小于5%.      

三浦折纸超材料结构数字化设计与模型验证

折纸结构在航空航天、柔性电子、汽车船舶和建筑结构等领域具有较好的应用前景. 三浦折纸单元沿三向拓展可构建出三浦折纸超材料结构, 具有高孔隙、可自锁、平面折展、负泊松比、形态可控等特性. 为了便于生成折纸超材料结构的复杂三维模型、推广应用于缓冲吸能结构及可展结构, 本文利用Matlab和Grasshopper软件, 发展了三浦折纸超材料结构的数字化设计方法, 利用数字化建模及3D打印技术, 实现了零厚度及非零厚度三维折纸模型的统一建模, 并开展了物理模型验证分析, 探讨了3D打印制作折纸超材料结构模型的优缺点; 推导了三浦折纸超材料的折痕长度、相对密度、折叠率等特性与几何参数的关系, 利用Abaqus/Explicit软件开展了结构准静态压缩过程分析与验证, 揭示相对密度对结构吸能指标的影响规律. 研究结果表明, 折纸超材料结构数字化设计方法高效、准确, 便于结构选型及优化分析, 所得三维模型结果与理论值吻合较好. 当胞元面板构型、面板厚度及结构折痕总长不变时, 相对密度较小的三浦折纸超材料结构具备更为优异的吸能效率.      

考虑电场梯度的挠曲电纳米板弯曲性能分析

具有尺度依赖的挠曲电效应在器件的设计中扮演着越来越关键的角色, 研究人员在微纳米尺度多物理场分析中进行了大量工作. 基于考虑挠曲电和电场梯度效应的弹性介电材料非经典理论, 以二维纳米板为例, 通过理论建模, 分析纳米板在弯曲问题中的力?电耦合行为. 根据Mindlin假设给出板的位移场和电势场的一阶截断, 选取板的材料为立方晶体(m3m点群), 将广义三维本构方程代入到高阶应力、高阶偶应力、高阶电位移和高阶电四极矩的表达式中得到相应的二维本构方程, 利用弹性电介质变分原理得到板的控制方程和边界上的线积分等式, 分别将二维本构方程和边界上外法线的方向余弦代入, 得到板的高阶弯曲方程、高阶电势方程以及对应的四边简支边界条件. 利用四边简支矩形板的高阶弯曲方程、高阶电势方程和相应的边界条件, 根据Navier解理论, 求解纳米板的电势场, 重点分析电场梯度对板内一阶电势的影响. 数值计算结果表明: 电场梯度对纳米板中由挠曲电效应产生的一阶电势有削弱作用, 且材料参数g₁₁越大, 一阶电势受到的削弱越大; 同时电场梯度的存在消除了纳米板在受横向集中载荷作用时一阶电势的奇异性. 本文是对具有挠曲电效应和电场梯度效应的纳米板结构分析理论的一个扩展, 为微纳米尺度器件的结构设计提供参考.      

增强六手臂缺失支柱手性拉胀超材料力学性能理论研究

前期研究工作中, 基于有限元分析, 作者发展了一种在大变形范围内具有可调恒定负泊松比的新型增强六手臂缺失支柱手性拉胀超材料. 为了揭示微观结构?力学性能关系, 并进一步指导超材料目标参数设计, 本文在小变形框架下基于能量法建立了表征该拉胀材料等效泊松比和弹性模量的理论模型. 增强六手臂缺失支柱手性拉胀材料由“Z”型手臂元件组成. “Z”型手臂可以被假设为两端简支的欧拉?伯努利梁. 因此, 本文首先推导了两端受集中力和力偶的任意形状欧拉?伯努利梁的应变能. 然后, 考虑平衡条件和变形协调条件进一步给出了材料等效泊松比和弹性模量的理论表达式. 研究表明只有“Z”型梁的内外手臂比为2:1时, 理论表达式才有简洁的形式. 为了更好地利用所推导的理论表达, 基于理论推导, 本文开发了MATLAT图形用户界面 (GUI). 在GUI中输入可描述该超材料几何形状的独立几何参数, 即可直接获取其等效泊松比和弹性模量. 最后, 基于理论结果, 系统讨论了超材料微结构几何参数对其等效力学性能的影响, 并将理论解与有限元计算结果进行了对比. 结果表明, 可以通过调控微结构几何参数获取大范围的目标力学性能.