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.     

纳米SiO_2掺杂对有水环境下间位芳纶绝缘纸性能影响的研究

为了进一步了解SiO_2纳米粒子掺杂对有水环境下间位芳纶绝缘纸性能的影响以及有、无水环境下芳纶绝缘纸性能的变化,本文利用分子动力学的方法建立了有水存在的芳纶分子模型、经SiO_2纳米掺杂后的芳纶分子模型以及无水参与的芳纶分子模型,研究了SiO_2纳米掺杂和水分对芳纶绝缘纸在玻璃转化温度、均方位移及力学模量方面的影响.研究结果表明,水分的存在使得芳纶绝缘纸的玻璃转化温度由原先的549 K降为523 K,在此基础上进行纳米SiO_2掺杂后玻璃转化温度可以由523 K提升到530 K.与无水环境芳纶绝缘纸的均方位移相对比可以发现,水分的存在在一定程度上提高了芳纶分子的链运动进而削弱了绝缘纸的热稳定性,而SiO_2纳米改性可以减弱水分对芳纶绝缘纸的这种不利影响.改性后的绝缘纸在有水环境下的力学性能得以提升,通过对比有、无水环境下芳纶绝缘纸的力学模量可以发现,一定水分的加入反而使得绝缘纸的力学性能得到了一定的提升.最后对所得模拟结果进行了理论分析,为提升芳纶绝缘纸的性能提供了有益的参考.     

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.     

AgSnO2触头材料在Ni-S共掺杂下的第一原理性计算

该研究采用掺杂的方式对SnO₂的导电性能进行改良,基于密度泛函理论的第一性原理,运用CASTEP软件对单掺杂Ni-SnO₂、S-SnO₂和共掺杂Ni-S-SnO₂的晶格参数、能带结构、电子态密度进行了计算,并对其电荷布居进行了分析.结果表明：S单掺杂时,晶胞体积略微增大;Ni单掺杂时,晶胞体积略微减小;而Ni-S共掺杂时,晶胞体积略微增大但增大幅度小于S单掺杂时的晶胞体积.与未掺杂相比,掺杂使得晶胞禁带减小、杂质能级增多、电子跃迁能减小,使其导电性增强,同时,掺杂使得费米能级附近峰值减小,局域性下降,原子间成键更强,材料更稳定.     

双金属掺杂改进纳米二氧化钛的SERS性能

通过溶胶-水热法合成了Ni和Zn双金属共掺杂的TiO_2纳米粒子,并以其作为SERS活性基底对吸附在表面的4-巯基苯甲酸(4-MBA)探针分子进行了SERS研究。结果显示,吸附在Ni和Zn共掺杂TiO_2表面上的4-MBA分子展现了不同程度的SERS增强;适当比例的双金属掺杂有利于TiO_2基底对吸附分子的SERS增强。此工作将有助于进一步扩展纳米TiO_2作为SERS活性基底的研究及其应用。     

第一性原理计算C掺杂金红石型TiO_2的磁性和光学性质

本文运用第一性原理GGA+U方法计算了C元素单/双掺杂金红石型TiO_2的电子结构、磁性和光学性质.结果表明,C掺杂体系的晶格发生畸变和体积相应增大.单掺杂体系的磁矩为1.3μB,磁矩主要归因于杂质态引起的自旋电荷密度不平衡,杂质态主要由C-2p、O-2p和Ti-3d的态电子构成,且它们之间存在明显的杂化现象.双掺杂体系中C原子之间的反铁磁性耦合比铁磁性耦合更加稳定,但其磁矩为零.另外,随着掺杂浓度的增大,掺杂体系的带隙由2.58 eV增大到3.4 eV,且在可见光区域的光吸收效率明显增大.这表明带隙的减小可能不是光谱吸收增强的主要因素,而带隙中的杂质态极大地影响了光谱吸收效率.     

单晶ZnO、TiO_2纳米线拉伸力学特性的分子动力学研究

采用分子动力学方法,模拟了不同加载速度、不同温度下单晶ZnO、TiO_2纳米线的拉伸破坏过程.通过模拟结果,对比、分析了两种单晶金属氧化物纳米线拉伸力学特性的差异.研究表明,1)ZnO纳米线的断裂机制为:表面微裂纹-微孔-微裂纹与微孔贯穿-断裂,而TiO_2纳米线的断裂机制为:局部屈服-颈缩-断裂;2)TiO_2纳米线的承载能力优于ZnO纳米线,而承受变形的能力劣于ZnO纳米线;3)温度较低的情况下,纳米线的抗拉性能较好;加载速度越高,纳米线的抗载性能越好,而抗变形能力越差.     

TiO_2/石墨烯/Ag复合结构SERS实验

基于氧化物半导体的光催化特性,能够降解有机物分子,使表面增强拉曼散射基底得以重复使用。提出了银纳米颗粒有效修饰覆盖有石墨烯的二氧化钛纳米棒阵列(TiO_2/石墨烯/Ag)复合结构作为表面增强拉曼散射基底,并对其进行了实验研究。利用水热法制备了二氧化钛纳米棒阵列;采用湿法转移石墨烯和光照还原方法制备了TiO_2/石墨烯/Ag复合结构。用罗丹明6G(R6G)分子作为探测分子,结果表明:随着紫外光照沉积时间增加,探针分子的拉曼信号先增强后减弱;计算得到最大增强因子值约为2.6×106。此外,还对TiO_2/石墨烯/Ag复合结构的紫外自清洁特性进行了初步实验,结果表明,紫外光照射20min后,其拉曼强度下降到42.3%,具有一定的紫外清洁效果。     

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.     

Mechanical and electrical properties of radiation-vulcanized natural rubber latex with waste eggshell powder as bio-fillers

ABSTRACT

This work investigated the mechanical, physical, morphological, and electrical (volume) resistivity properties of radiation-vulcanized natural rubber latex (RVNRL) with additions of waste eggshell (WES) powder, which contained primarily CaCO₃ (calcite). The results showed that increasing gamma irradiation doses from 0 to 30?kGy in 10-kGy increments led to decreases in the swelling ratio and elongation at break but increases in the crosslink density, tensile modulus at 500% elongation, and tensile strength of the composites. The results also suggested that increasing the WES contents from 0 to 2, 4, or 6 parts per hundred parts of rubber by weight (phr) in the composites improved the tensile modulus at 500% elongation, tensile strength, hardness (Shore A), and electrical (volume) resistivity. In addition, after undergoing thermal aging at 70°C for 96?h, the tensile modulus and hardness (Shore A) increased, while the tensile strength and elongation at break decreased. This work also compared the properties of WES/RVNRL with commercial CaCO₃/RVNRL samples at the same 4-phr content. The results indicated that both composites had similar tensile properties, implying possible replacement of commercial CaCO₃ with WES powder as an effective reinforcing filler in RVNRL.     

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。     

Effect of MAPP and TMPTA as compatibilizer on the mechanical properties of cellulose and oil palm fiber empty fruit bunch–polypropylene biocomposites

The effect of compatibilizers, namely, maleic anhydride grafted polypropylene (MAPP GR-205) and trimethylolpropane triacrylate (TMPTA), on the mechanical and morphological properties of the PP-cellulose (derived from oil palm empty fruit bunch fiber) and PP-oil palm empty fruit bunch fiber (EFBF) biocomposites has been studied. The ratio of PP : cellulose and PP : EFBF is fixed to 70 : 30 (wt/wt%) while the concentration of the compatibilizer is varied from 2.0 to 7.0 wt%. Results reveal that at 2.0 wt% of MAPP concentration, tensile strength of PP-EFBF biocomposite is significantly improved. This is due to the enhanced EFBF matrix adhesion resulting in an improvement in EFBF biocomposite performance. There are no significant changes observed in the PP-cellulose biocomposite properties upon the addition of MAPP. In contrast to the tensile strength, flexural modulus and impact strength are significantly improved with the addition of 2.0 wt% TMPTA to PP-cellulose biocomposite. The enhancement of mechanical properties in the presence of TMPTA is believed to be attributed to crosslinking of multifunctional monomer with the hydroxyl groups of cellulose.     

贵金属掺杂锐钛矿TiO2光催化性能的第一性原理研究

本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对纯锐钛矿TiO2及贵金属（Ru、Pd、Pt、Ag和Au）掺杂锐钛矿TiO2的晶格结构、能带结构、电子态密度及光学性质进行了计算。结果表明：贵金属掺杂后TiO2的晶格体积都出现了不同程度的增大;Pd和Pt掺杂后TiO2体系的禁带宽度减小,Ru、Ag和Au掺杂后体系表现出了一定的金属属性,五种贵金属掺杂TiO2后吸收光谱都有红移的趋势。掺杂形成能计算表明,除Ru金属外,富氧条件下掺杂更容易实现。     

Ti/Si比例对Tb3+掺杂TiO2-SiO2复合粉末的发光影响

用溶胶-凝胶法制备了Tb3+离子掺杂的TiO2-SiO2复合粉末并研究了Ti/Si比例对复合粉末光致发光的影响。采用X射线衍射(XRD)、Raman和光致发光谱(PL)对Tb3+离子掺杂的TiO2-SiO2复合粉末进行了一系列的表征。PL谱的结果表明Tb3+离子5D4-7F5跃迁对应的550nm绿光发射最强。随着Ti/Si比例的减小, Tb3+离子在可见光范围的发光逐渐增强, 这可能是由于Tb3+离子周围环境的非晶化加剧引起的。     

An investigation into the mechanical properties of silicon nanoparticles using molecular dynamics simulations with parallel computing

This study investigates the mechanical properties of cubic silicon nanoparticles with side lengths ranging from 2.7 to 16.3 nm using molecular dynamics (MD) simulation with parallel computing technique. The results reveal that the surface energy of the particles increases significantly as the particle size decreases. Furthermore, having passed the point of maximum compressive load, the phase transformation region of the particles gradually transfers from the core to the surface. The small volume of the current nanoparticles suppresses the nucleation of dislocations, and as a result, the maximum strength and Young’s modulus values of all but the smallest of the current nanoparticles are greater than the corresponding values in bulk silicon. Finally, it is found that the silicon nanoparticles with a side length of 10.86 nm exhibit the greatest maximum strength (24 GPa). In nanoparticles with shorter side lengths, the maximum strength decreases significantly as the volume of the nanoparticle is reduced.     

电流变液微波反射可调控性

研究了纳米二氧化钛包覆高岭土和钇掺杂钛酸钡两种电流变液的微波反射行为.实验发现，在垂直于微波传播方向电场作用下，两种电流变液微波反射系数均随电场强度的增大而增大；钇掺杂钛酸钡电流变液微波反射系数变化幅度比二氧化钛包覆高岭土电流变液宽，并且电场调节的能力随浓度的增加有减弱的趋势.对钇掺杂钛酸钡电流变液存在一个临界浓度，低于这个浓度，电场的调控能力随电场强度的增加而增大，高于这个浓度，电场的调控能力随电场的增加先增大后减小.另外，二氧化钛包覆高岭土电流变液反射回波相位随电场强度的增大出现最大值后逐渐减小趋于平 关键词： 电流变液 微波反射 相位