甲烷-二氧化碳重整制合成气与现代分析技术应用于探究性化工专业实验的设计与探索

以甲烷-二氧化碳重整制合成气为实例，设计探究性实验，将合成气的制备和现代分析技术应用于化工专业实验的教学实践中以提高学生的创新和实践能力。实验包括催化剂的制备，催化剂的性能评价和催化剂的表征等3大部分。采用工业最常用的浸渍法制备含有不同助剂的Ni/X/γ-Al2O3（X为Co，Fe，MgO，CeO2）催化剂，以甲烷-二氧化碳重整反应评价其催化性能，并采用XRD、H2-TPR、BET和TG对催化剂的微观结构进行表征。结合催化剂的性能评价结果和表征结果，探讨不同助剂对镍基催化剂性能的改善效果及机制。通过开设该实验，可以让学生了解化工学科的前沿知识以及现代分析技术的基本原理和用途，掌握专业的实验操作、数据处理和谱图绘制方法，提高学生的专业素养和综合能力。     

大尺寸电阻加热式碳化硅晶体生长热场设计与优化

大尺寸低缺陷碳化硅(SiC)单晶体是功率器件和射频(RF)器件的重要基础材料,物理气相传输(physical vapor transport, PVT)法是目前生长大尺寸SiC单晶体的主要方法。获得大尺寸高品质晶体的核心是通过调节组分、温度、压力实现气相组分在晶体生长界面均匀定向结晶,同时尽可能减小晶体的热应力。本文对电阻加热式8英寸(1英寸=2.54 cm)碳化硅大尺寸晶体生长系统展开热场设计研究。首先建立描述碳化硅原料受热分解热质输运及其多孔结构演变、系统热输运的物理和数学模型,进而使用数值模拟方法研究加热器位置、加热器功率和辐射孔径对温度分布的影响及其规律,并优化热场结构。数值模拟结果显示,通过优化散热孔形状、保温棉的结构等设计参数,电阻加热式大尺寸晶体生长系统在晶锭厚度变化、多孔介质原料消耗的情况下均能达到较低的晶体横向温度梯度和较高的纵向温度梯度。     

EAST上由垂直不稳定性引发破裂的分析与预测

从EAST 装置2016 年的放电实验中，选取了119 次等离子体破裂放电数据，分析诱发等离子体破裂的原因，发现约60%的破裂是由垂直不稳定性直接引起的，其破裂后将会产生更大的晕电流，从而产生更大的电磁应力损坏装置。对由垂直不稳定性引起的破裂(简称为VID)(72 次放电)进行了研究，建立了分别基于单变量(垂直位移)和两维变量(垂直位移、垂直位移增长率)的预测模型用于对VID 破裂的预测。离线测试表明，基于两维变量的预测模型可以在破裂发生前20ms 给出破裂预警信号，预测成功率达93%。     

受限空间细水雾降温效果的实验研究

为研究细水雾在高温受限空间的降温效果,提出更广泛的细水雾系统应用范围,通过搭建小尺寸受限空间实验平台,开展大量水雾降温实验,研究细水雾在狭长受限空间内的降温特性,并重点分析影响水雾降温性能的主要参数。结果表明:随着纵向距离的增大,水雾降温效果逐渐减弱,降温幅度先急剧下降再缓慢降低,整个空间下层区域的降温效果优于上层区域。环境温度、喷头布置形式以及通风状况是影响水雾降温效果的重要因素:环境温度越高,降温范围越大,降温效果越明显;纵向喷头布置形式有利于水雾与周围环境更充分地热交换,提高降温效率;水雾-通风协同作用时,既能扩大水雾降温范围,又能显著提高降温效果,同时保持空间温度场稳定均匀。     

“聚丙烯酸酯的合成及降凝性能评价”综合实验能力考核平台

设计了以柴油中饱和烃含量及碳数分布测定、聚丙烯酸高级醇酯（PTA）的合成与纯化、PTA的红外表征与分子量测定、PTA降凝性能评价等4个模块组成的综合实验，作为化工专业实验的考核及成绩评定平台。这种考核方式将过程考核与结果考核融合，将笔试、操作、设计融合，可以全面准确地考核学生的有机合成、仪器分析等基础实验技能，同时考核综述、数据处理、实验设计等综合实验能力和实验室工作素质。此外，还能够有效训练学生的学习能力、解决问题能力、实践能力和创新能力，并促进了实验教学水平提高。     

基于Ni-SnO2纳米颗粒的GS-PUF设计

气敏传感器具有气体识别、探测和监测等功能, 广泛应用于工业生产等领域, 但在泄漏预警时缺乏迅速识别和定位等功能. 本文基于传感器制备工艺偏差分析, 通过对传感器气敏机制的研究, 提出一种基于Ni-SnO2纳米颗粒的气敏传感器物理不可克隆函数(Gas Sensor-Physical Unclonable Function, GS-PUF)设计方案. 该方案利用掺杂Ni元素的方法, 结合静电喷雾沉积技术制备Ni-SnO2气敏传感器, 以获取更加稳定可靠的物理特征值, 然后采集气敏传感器对不同浓度下气体的响应数据, 最后利用随机阻值多位平衡算法比较不同组气敏传感器响应电信号值, 实现PUF数据输出. 制备每组样本可产生128位二进制数据的多组PUF样本, 进行对比实验. 结果表明, 所设计的GS-PUF具有气体泄漏源头识别定位的功能, 且随机性提升至99%, 唯一性达49.80%.     

兹游奇绝 穷理有容——忆Stephan von Molnár教授

磁性半导体是半导体物理与磁学和微电子学的一个交叉领域,相关研究不仅产生了许多重要的基础物理发现,而且还可能带来革命性的信息技术。Stephan von Molnár教授是磁性半导体领域的开创者之一,并深耕于此近60年。本文从受其指导的研究生的角度回顾von Molnár教授的学术贡献,分享对他言传身教的体会,并试图解释为什么他能在长达一个甲子的时间里一直保持对科研的热忱。     

SiC晶体生长中气相组分输运特性

针对物理气相传输(PVT)法生长碳化硅(SiC)晶体,建立了一个二维生长动力学模型研究SiC生长腔内气相组分输运特性,该模型考虑了氩气与气相组分之间的流动耦合,Stefan流和浮力影响.研究表明:在压力较低的情况下,自然对流对气相组分的输运过程影响很小,可以忽略,而当压力增高时,自然对流强度显著增大,不可忽略.其次,随着生长温度升高对流的作用增强,生长腔内输运过程由扩散向对流转变,最终对流主导组分的输运过程.随着压力升高对流作用减弱,扩散为气相组分主要输运方式.     

四连杆膝关节假肢的动力学建模与分析

相比于单轴式膝关节,四连杆膝关节具有更好的仿生特性和运动安全性,因而在下肢假肢研究中得到广泛关注. 本研究以一款四连杆膝关节被动假肢为研究对象,主要关注足-地交互作用力以及膝关节单边接触力等强非线性因素对下肢假肢步态的影响. 为此,采用 Kelvin-Voigt 模型和库伦模型描述足-地接触力和摩擦力,并采用 Kelvin-Voigt 模型描述膝关节单边接触力,从而基于第一类拉格朗日方程建立假肢动力学模型. 本研究以步态实验测得的髋关节运动数据为模型的驱动信号,针对假肢的步态特征进行了数值分析. 计算结果显示,当膝关节液压阻尼器的刚度较小时,强非线性作用力会使假肢产生显著的亚谐波响应,进而导致步态周期失谐. 进一步研究发现,提胯行为能够避免步态周期失谐,这也为残疾人行走时的提胯等代偿行为提供了一种新的力学解释. 为了评价假肢步态与健康人实测步态的一致性,本研究进一步定义了步态相关系数并分析了膝关节液压阻尼器刚度、阻尼参数对相关系数的影响. 结果表明,通过合理的刚度、阻尼参数设计,两者步态的相关系数可达到 0.9 以上,这为四连杆膝关节被动假肢进一步优化提供了理论支撑.      

在线社交网络控制实验的现状与展望

在线社交网络已发展成为一个独特的电子生态系统，其应用深刻影响着人们生活的方方面面。由于在线社交网络特性复杂，分析在线社交网络形成和变化中的规律成为当前计算机科学、社会学和物理学的一项挑战。传统上，在线社交网络实证研究主要采用计算机辅助的被动数据获取和分析方式。近年来，在真实大规模在线社交网络上直接进行控制实验从而主动获取数据并开展分析研究的方式广受关注。评述了这一领域的研究进展，包括：社交网络控制实验的主要研究模式；控制实验方法在社交网络结构、信息传播、行为和心理学等领域取得的主要成果以及主要实验工具的适用条件和局限性。最后，展望了人工智能技术在社交网络控制实验中的应用潜力，分析了智能算法对降低实验成本和提高实验效率的作用。